506t~ /( q~ s
NUMERO D'ORDRE 1'272- t  ~
PRESENTEE A
L'UNIVERSITE DES SCIENCES ET TECHNIQUES DE LILLE
POUR l'OBTENTION DU TITRE DE
DOCTEUR 3 ér-.~E CYCLE
SPECIALITE AUTOMATIQUE
\
cc AUGMENTATION DE LA PERFORMANCE
D'INTERVENTION EN. MICROMANIPULATION »
APPLICATION A LA MICROCHIRURGIE
SOUTENUE LE 12 JUIN 1385 DEVANT LA COMMISSION D'EXAMEN:
MessiEURS P. VIDAL PRESIDENT ET RAPPORTEl':?
JC. HACHE EXAMINATEUR
P. TURUT EXAMINATEUR
c. VASSEUR EXAMINATEUR
P. MICHEAU EXAMINATEUR
c. MARREAUD INVITE
\
r. r~ j_ n-3
C·
,i '
Ce travail vise i augmenter la performance d'intervention
lors de tâches micromanipulées par :
- une aide à l'exécution
- la surveillance de l'opérateur.
Le premier chapitre décrit un système de micromanipulation
dont les particularités sont une gestion par calculateur permettant d'en
visager la réalisation en automatique de phases élémentaires et un sys
tème de sécurité active n'autorisant l'intervention que lorsqu'aucune panne
n'est d~cel~e.
Dans le deuxième chapitre, l'évaluation du systèm~ est ef
fectu~e sur banc d'essai, révélant .. la possibilit~ de r~aliser des intcrv~~
tions très précises même èans des conditions ùe contexte très déf~vor~bles.
les tests montrent que l'opérateur introduit une r,rdnde variation dans 1~
qualit~ Je l'intervention engendr~nt le besoin d'un système de surveillance
r:e celui-ci.
Dans le troisième chapitre 1 le cl10ix d'un système de sur
veillance ~ortant sur l'observation du comportement de l'opérateur sur les
com:·,~ndeR est effectué. rous y décrivons les :rnitements effectués sur les
variables relevée~ •
.Enfin le dernier chapitre montre une méthode perr:1ettant
d'extrnire à partir des donn~es relevées des r~~les de d6cisioc sur 13
:erforrr.~nc~ ~évelo~~F>e et rie constru:i.ri? ur: rr.or]~'JC C~ 1 o:;tir·Litior. c!e )n rE·r-
forn;) nee.
l··~ots clés micromanipula tian 1 estim~! tion èc r;erformance, systèmes H/H
Je.tiens à exprimer ici mes plus vifs remerciements à
Monsieur le Professeur Pierre VIDAL, Directeur du Centre d'Automatique,
qui mJa accueilli dans son laboratoire et m'a orienté dans mes recherches.
Que 1-~onsieur le Professeur J .C. HACHE, Directeur du
Service d'Exploration Fonctionnelle de la Vision du CHR-B de Lille, soit
assuré de ma profonde gratitude et de ma sympathie pour les conseils avisés
prodigués tout au long de l'étude.
Je remercie Monsieur le Professeur Paul TURUT, Chef de
Clinique Ophtalmologique à l'Hopital d'Amiens qui a consacré de longs
moments à nous faire connaitre le domaine de la microchirurgie.
Que Monsieur le Professeur C. VA3SEUR soit assuré de ma
eratiturie rottr les remarques constructives et les conseils délivrés à
l'éeard de _ce trav~il.
Je remerci.e Honsieur le Professeur F. HIC!!~t:X, .llirecteur ·
àu L)é'r.\r.lrte~er.t ne Construction ?<écanique dê .. l·i.~UDIL C'llli <l 'oi0n VOttlu jur,er
c~ travr-~il.
i<onsieur C. !'<A~REAUD, Directeur elu ';6:.~trte:..ent Recherche
r.c la ~ioci~t6 ·;~.~n·::!m:~ est és9.lement remercié pour é1'1cir eccenté de parti
ciner â ce jury.
,Je désire auss:i. exprimer mn r::rr.:titucle :.'· >.onsi:·-ur C'CII,];;; .. T
rour 1.3 ~::-entilles.se avec laquelle il m'a accueil] i clan::; le :;é11arter·~e:1t
I~forr:Dtique elu .)rvice d':S::-:nloration Fonctionnel1P- tlu .;:rstè~1e tferveux du
frofes.~eur t:ILoLED au CHR-B.
Cherr.:Ceur nu C~ntre d'i,utonatique, pour les lonsucr; <Fsct..::=;sinns et l'aide
(:ue r-:es.:.;ieurs AGlUCOLE et J3:-:~1Gt, L:D és~nler.vnt Chercheurs au
Centre d'Automatique soient remerciés pour leur participAtion.
Un e;rand ~erci à ~!essieurs VEYI:J\NT rt ECU7.f:: ainsi qu'à
Brigitte, Elefthérios, Aicha, Fabrice, Michel et tous ceux qui de près ct
de loin m'ont soutenu tout au long de ce trnv~il.
J'exprime enfin une pensée ~mue A l'~GArd de ln m~moire de
~·lonsicur Jean VERTUr, A cl .io:i nt au Chef rtu Dé pa rte:"'P.nt cle fro tee t ion TPchnique
au CF.!, de FonteMy-aux-Rosen et Coordon! .'\tPur dn pôle TP.léo:pér:1tion flvflnc~c
du projf't A'Rr\, qui ~v=~it t~~o:i.cné un int~rêt !'our ces trnvaux ~t le désir
cie partj.cipf'r ~~~ j•.l.,...~r.
c\ travail a été en partie financé r-a r ~'Ac;cnce de
1 ' Ir. f o rr· n tique •
Il A été réfJlisc~ nu Centre d'AutorllatÜlU0 r)e Tille
C!'l col J ~ hor<'l ti on avec le C'"!( "!~! r1 e Lill.e.
SOf.1MAIRE
CONTEXTE .........................................................
CI-IAPITRE 1 SYSTEME D'AIDE A LA MICRor~.ANIPULATION
I - PRESENTATION
!.1
!.2
!.3
Nicrochirureie ................................. Opér~tions de vitrectomie ...................... Actes concernés par le Micromanipulateur •••••••
II- MICROMANIPULJ\TEUR ESCLAVE
II.1 Introjt1ction ................................... II.2 Sécurité ....................................... II .3 ~!obili tés ...................................... II.4 Cinématique .............................. ' ......... . II.5.Porte instrument ................................ II.6 Utj.lisntion ....................................
.................................. II.7 ~otoris3tion
II. F. r-:a té riAux ...................................... III- ·ORGANE MAITH~
JII.1 Introduction .................................. III.2 Tvre~ ~e coM~nnde ............................. III.3 Con~ole de co~~Andc utilisée
\ ..................
IV- CAT.CU;,:I. 1'':UR
IV. i Ensembles f:Arés ............................... IV.2 L..:lnr:;<'!re de comrN,nde ........................ IV.:, I.or~iciel ................................... ~ ..
CII.t_ PITRS 2 F.V A. LU,\ TIQ;.~ DU SYS'!'F:t·~E n:~ i·'IC:w:-:,u:IrULA. TION
I - INTRODITCTION
II. 1
JI.2
~·yc-•r•~:·r.'•·' u;~.-·.~ ,;.) .J '· 1 ... 0.
rrésent:ltion .................................. .........................
III- DISI'OSITIF EXPERin:::r:T:,L
III. 1
III .2
III.3
PlAteforncn ~c oinulation ..................... ., ... h . t. J.r>C.e F.l,lOU f.•C ••••••••••••••••••••
!
!~vnlufltion des focteur.'3-l)':"~r"lteur .........
,
8
9 1 1
14
18
27
29
29 32
.• r _)Q
50
52
IV- EXPERIMENTATION
IV. 1
IV.2
Contexte ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
Résultats ...................................... V - CONCLUSION
CHAPITRE 3 SYSTEME DE SURVEILLANCE DE L 1 OPERATEUR
I - INTRODUCTION
II- VARIABILITE DE LA PERFORHANCE DE L 1 OPERATEUR
II.l
II .2
II.j
Princinales causes des variations de perfo~mancn
Travail supervisé ••••••••••••••••••••••••••••••
Methodes d 1 esti~ation .......................... III- c:n:~~'l.\TION Dl~ L 1 0PSR~TEUR
G8 68
69
III.l Disrositif d'ohservation ••••••••••••••••••••••• 71
III.~ P~ra~~tres consid6r6s •••••••••••••••••••••••••• 74
III.3 Tr~itc~ent ries signaux recueillis ••••••••••.••• 7G III.l~ 1·:xt r~ ct ion A utofl'!a tique des pa ramètres-opé r3 te ur 78
IV.l An3lyse des données syntaxiques •••••••••••••••• 83
V - COH~'I.U ;re;:
li.l ~.~.r:Jcbtn~ r!n rlü;rof;j tif rJe rcco~nnis:wnce • • • • • • 91
II.::> f·'o,:ule ~~ tr~itemcnt ••••••••••••••••••••••••••• 1./f II.3 Pr~Micr cycle d 1 A~~rentisseve •••••••••••••••••• 98
II. 1f :··:o~01~ :;réliminaire ...•.................•...... 100
J.I.5 ~/t1li(intion ..........•.......................... lC·2
II.:: :)~co~:l c:rcle d 1 ::~:r!'l.rcntis:::o_,.;e ••••••••••••••••••• 103
IJ.? Suivi dea c~ti~otiono •••••••••••••••••••••••••• 1G4
III- ArH.ICAriCr! 1\UY. ncrar:ES n:-:cu~:IL7 T·:~
JII.1 Inter- .... r~t.•tion èf'n hir-to::7'fllr:">''C::>
III.~ Vnli~n~ion •••••••••••••••••••••••••• 1 ••••••••• 107
cc~:cr.usioN ar-:rmRA r.;;o 1 1 o ____ __,:;,.:__.;..~~..::..::.;:..:..:..:.· . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- 1 -
CONTEXTE
\
- 2 -
I TELEMANIPULATION/ROBOTIQUE DEUX DISCIPLINES COMPLEMENTAIRES
Ces deux domaines ayant fait leur apparition vers les
années I950 et I965 respectivement, découlent de deux démarches fonda
mentalement opposées.
A) TELEHANIPULATION
L'objectif de cette discipline est d'augmenter les ca
pacités d'intervention de l'opérateur en prolongeant son bras par un
bras artificiel; initialement créée pour les besoins du nucléaire, elle
s'est par la suite répandue dans les milieux sous-marin et spatial.
Un systôme de manipulation affecte la partie ~ction de
. l'opérateur mais ne chan~e pas les sous-ensembles perception et décision
de celui-ci; l'opérateur est le maitre d'oeuvre, il pilote le bras es
clave qui constitue un co~plément permettant une performance accrue dans
l'espace (télémanipulation), l'effort (manipulation industrielle) ou la
précision (micromanipulation). Le système Homme-Machine résultant est . très versatile et peut ainsi accomplir des tâches très variées dans des
environnements très complexes.
B) ~OEOTI·.~U::; 1 ---------
Son but est de substituer l'opérateur par un système
capable d'effectuer le travail à sa place, ce qui conduit à la création
d'ensembles de perception et de décision automatiques et ex~lique ainsi
l'apparition rlus tardive èe cett~ di~cipline.
Les performa~ces de~ systèmes actuels de reconnaissance
de contextes et de décision ne permettent cependant aux robots de tra
vailler que dans des c~dres r~lativement fi~és où toute situation est
prévisible.
C) DO!-' A Ii!!:;:) D' E~'!l LOI
La spécificité de chacun de ces deux types de systèmes
conduit à les utilisP.r pour des travaux très différents.
Ainsi, l'emploi d'un robot s'impose pour la réalisation
de tâches répétitives et relàtivement simples, sa facilité de program-,
- 3 -
mation le rendant supérieur aux automatismes figés pour les séries moy
ennes où il trouve son domaine d'action, alors qu'un manipulateur est
utilisé pour des interventions ponctuelles lorsque les travaux à réali~
ser sont complexes et variés et réclament le savoir-faire et la capacité
d'appréciation de situations d'un expert, mais demandent des performan
ces ne permettant pas une intervention directe de ce dernier.
II TELEOPERATION AVANCEE
Les avantages et inconvénients des robots et des mani
pulateurs sont complémentaires, aussi la réunion de ces deux systèmes
au sein d'un même ensemble d'intervention permet d'éxécuter de façon
automatique de_s tâches répétitives après-qu' elles aient été enseignées ···
par un opérateur /FOUR 83/, engendrant ainsi un travail rapide; et au
torise une reprise en main par l'homme pour un travail en mode manipulé
dès qu'une tâche complexe survient (en~ins Viking /VERT 84/).
Cette approche de l'intervention entreprise par le pôle
Téléopération Avancée du projet A.R.A. /ARA 84/ est possible lorsqu'un
ordinateur est couplé au système électromécanique de manipûlation. La
partie esclave qui éxécute la tâche n'est alors pas obligée de reco
pier les mouvements eénérés sur l'or~ane maitre et peut à certains mo
ments devenir un\robot travaillant de manière autonome. Par ailleurs
l'ajout de capteurs locaux sur l'esclave /E3PI 82/ rend possibles des
modes de manipulation assistée, dans lesquels l'opérateur pilote une
partie du manipulateur,laissant la commande du reste au système auto
matique (suivi d'une surface i distance constante, par exemple).
~achine fait alors app~raitre la notion de svmbios~ homme-machine, pour
laquelle l'obtention d'une efficacité maximale de l'ensemble passe par -
l'instauration d'une coopération équitable entre l'opérateur et le sys
tèm~ physique en fonction des particularités propres à chacun d'entre
eux /LICK 60/.
c
- 4 -
III DOMAINE D'ETUDE LA CHIRURGIE FINE
Nous avons voulu réaliser un tel système d'intervention dans un cadre se prétant particulièrement bien à son emploi : la micro-
chirurgie. Une illustration d'artiste est donnée figure 0 /THRI 83/.
Fi,o·u re 0 l·:ic ro:na ni pula t ion chi ru rrric:1l e
A) h. J; J:·: A L' I liTZVV :::r:T ION
Les ev~nta~es apportés par un système de micromanipula
tion se situent à trois niveaux :
a) Précision
Actuellem0nt la précision des opérations de microchirur
~ie atteint une limite ~ui ~nt celle permise par l'homme travaillant
'1
~ous microscope, l'utilisation d'un mécanisme a pour cons~quence de per-
mettre la réalis~tion de trav~ux beaucoup plus fins.
1
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-. 5 -
b) Facteurs humains ................ L'intervention directe impose au chirurgien une sévère
contrainte d'immobilité et oblige celui-ci à une tension constante tout
au long de l'opération alors que plusieures tâches sont effectuées de
façon répétitive. L'éxécution de certaines phases en automatique permet
alors à l'opérateur de se consacrer uniquement aux phases critiques et
abaisse ainsi sa charge de travail lors d'opérations de longue durée.
c) Sécurité ........ La mise en place de capteurs proximétriques,nécessaires
à l'automatisation du système, permet enfin d'accroitre la sécurité des
interventions par la définition de zones de sureté à l'intérieur des
quelles toute rr.anipulation est rendue interdite ou par des retours d'ef
forts donnant une information complémentaire à celle fournie par la
vision.
B) SURVt:ILLANCE D!.~ L' OPEHATEUR
La réalisation d'un système dans lequel l'homme et la
machine coop~rent oblige ~ considérer la collaboration entre ces deux
composants, de mpni~re à rendre l'ensemble performant et sûr. Ainsi 1
lorsqu'au cours d'une intervention, l'un des deux partenaires a une
baisse de disponibilité, il est utile que cette information soit connue
afin que l'autre puisse prer.dre la relève s'il en est capable, ou bien
de rr.ani€re à ce que le système soit placé dans un état interdisant des
mod~sd'int~rvcntio~ ~evenus aléatoires.
Le développe~€nt d'un tel projet demandant la création
de systèmes èe surveillance du tandem H/N, nous avons entrepris l'étude
d'un estimateur de la performance développée par l'opérateur.
Ce module de surveillance confititue le second volet du
travail exposé et fait suite à la présentation de l'ensemble de micro
manipulation effectuPe dans la première partie.
(
- 6 -
IV PLAN
, ère part 1· e S t · d' · t t · n _ ys erne 1n erven 10
Dans un premier chapitre, nous présentons le système de
micromanipulation chirurgicale ainsi que les choix ayant guidé à sa réa
lisation.
Le chapitre deux est consacré au test du système sur un
banc d'essais représentant des tâches-type de microchirurgie. Nous com
parons les performAnces obtenues avec so~ aide et celles réalisées sans
sa participation. On montre que les facteurs humains engendrent des ré
sultats·aux qualités_très différentes, amenant ainsi le besoin d'estimer
~es performances do~t l'opérateur ~st capable afin d'y pallier.
2ème t" par l.e Module de prédiction de performances
Le chapitre trois rappelle les méthodes envisa~eables
pour la réalisation d'un espion-opérateur. Un choix répondant au critère
de transparence, nous amène à considérer le comportement de l'opérateur
sur l'interface de commande. Nous donnons les paramètres utilisés ainsi
que les traitements effectués sur les relevés et arrivons à la conclu
sion que les ~éthodes cla3siques d'analyse ne permettent pas d'extraire
ies caractéristi\ues liée~ à la performance.
Dans le chapitr~ quatre, une approche reconnaiGsance r.e
formes bas6e sur les histo~rammes deA para~~tres de comportemPnt, abou
tit À 1';:xtraction r.c~ =-ran:1c:.::s c;,r,'3cté!i"tiqu~s et permet la cr::ation
d'un modèle br1sé sur des r~r;1es èe décision. ;:ous terminons en donnant
les performances obtenues pdr le système proposé sur un ensemble d'in
terventions.
- 7 -
I
SYSTEME D'AIDE · A LA .
MICROMANIPULATION
\
- 8 -
I PRESENTATION
I.l MICROCHIRURGIE
La microchirurgie regroupe l'ensemble des interventions
s'effectuant avec une très grande précision et réclamant la plupart du
temps l'utilisation èe procédés d'af>randissement de la zone de travail.
domaines :
La finesse exigée provient de :
c'est notamment le cas de la :
traumatologie, les organes manipulés étant des
nerfs et vaisseaux sanguins sectionnés,
• kératoplastie, consistant à greffer des implants
cornéens sur les organes visuels,
- ~~-E~~~~~~~-~~-~~~~~~~~-~~~~-~~~~~~!~~' proche desquelles . l'intervention doit être pratiquée sans qu'il y ait tou-
cher; citons ainsi les opérations de :
\
• mé !ecine nucléaire intracranien::e, 1 'ii.!planta-
tion d'électrodes radioactives devant se faire
avec évitement des vaisseaux sansuins importants,
• vitrectomie, pour lesquelles l'extraction du
vitr~ est parfois accompli tr~s pr~s rie Ja rétine
(raclage).
Des interventions fines de ce tJpe existent dans d'autres
- industriel fabrication de circuits Jl~ctroniques,
manipulation de cellules, - biologique
~ais elles sont effectuP.es sur des surfaces plan~s et font appel à des
~anipulateurs très lé~ers ayant seulement quelques mobilités et une am
plitude de mouvement de quelques millim~tres /UMET 8C/, /MATS 81/.
Le systême réalisé d'aide à l'intervention microchirur
gicale est destiné à ex6cuter d~s opérations de vitrectomie, sa struc-
•
- 9 -
ture a cependant été conçue de.façon à ce qu'il puisse être également
employé pour d'autres types d'interventions. Il est extensible, entière
ment motorisé et couplé à un ordinateur, et constitue ainsi un instru
ment ouvert utilisable en recherche.
I .2 OPERATIONS DE VITRECTOt-liE
La vitrectomie est une opération pratiquée lorsqu'un
corps étranger est parvenu dans la cavité vitréenne y causant des com
plications graves, ou bien lorsque l'éclatement d'un vaisseau sanguin
a provoqué une ·hémorragie endo-oculaire.
L'inter~ention s'effectue en dirigeant le bec d'un ins
trument de broutage vers la zone atteinte, à partir d'une por·t·e d'e.ntrée
pratiquée sur la scl~re,afin que le mouvement du bec fragmente la mati
~re imméctiaterr.ent environnante qui est alors aspirée hors de l'oeil
(figure I-l}. La perte de volume est compensée par une injection contro
lée de sérum physioloeique, effectuée par la même porte d'entrée que
celle utilisée par le vitréotome ou par une seconde incision sclérale
(donnant ainsi un meilleur draina~e de la solution vitréenne ~ais obli
r,eant à un traumatisme plus ~rand).
\
cor~P.e
•rit·.rP.
FiP."UrP. I-1 Vitrectomie
po.:--tc d'P.ntr~e
- 10 -
Pendant l'intervention, l'information indispensable con
cernant l'espace de travail est obtenue par un verre posé sur l'oeil du
patient ·donnant au chirurgien une vision à travers le cristalin de
crlui-ci (figure I-2).
miroirs
Figure I-2 M~thode actuelle de captage d'informations
relatives à l'espace d'intervention
Nous ter~inons cette description du contexte par le mi
croscope opératoire dont les déplacements sont commanàés par l'interve
nant et qui donne l'aprandissement n~cessaire à un travail nrécis. Une
source de lumiAre sous forme de lampe i fente extérieure à l'oeil, ou
d'éclairA~e interne r,nr fibre optique, compl'·te l'environnemP.nt de l'in
tervention.
Il P.St ?. snulin;nPr oue p0.ndëJnt toutP. la durée de l'or0-
ration, l'oeil est mDintenu fixe par rapport à la tête au moyen de fils,
la tête ~tant elle-mê~e i~mohilisée par un support.
I.2.h Le Vitréotome
Il existe de nombreux modP.les, les plus utilisés en Europe
portent les noms de Micro-stripper, Vitrophaee et Ocutor.w /GUFF' é)/.
Semblables dans leur constitution, ils sont composés d'un corp$ ~otorisé
et de deux fins tubes concentriques terminés par le dispositif de coupe
(fip;ure I-3).
- l1 -
-. \ L - i .
t _(( ~ 1- r--· - -·· --+-- .
/ ~ i ....:.... --,
1 partie motorisé ·~ \ active corps
Figure I-3 Vitréotome
aspiration du vitré
·i
irrigation
Le tube externe est fixe par rapport au corps de l'ins
trument, le second est anim~ d'un mouvement de coupe alternAtif. Une \
fenêtre placée en extrémité de l'outil sert à aspirer le vitré.
Le diamètre de la partie introduite dans l'oeil varie
entre 0,9 et 2 mm suivant la version utilis~e, il est port~ à une vale11r
plus élevée lorsqu'une fihre optique d'éclaira~e est ajoutée.
:-=:nfin, citor.s le poids d.; l'ir;st:-u•nent 1ui e.st de l'ordre
d'une centaine de ~ram~es.
1.3 ACTES CONCERNE~ PAie UN SYSTEME DE MICROMANIPULATION SPATIALE
L'aide à la manipulation apportée par un système capable
d'autonomie touche de nombreux secteurs microchirurgicaux; en envisa
geant uniquement d~s interventions Gur des orr,anP.s fixes, avec un seul
bras esclave, nous pouvons considérer les points suivants
- L~ présence d'un ordinateur entre le bloc maître et le
- 12 -
mééanisme esclave permet de mémoriser les trajectoires réalisées par
l'effecteur, pour une restitution ultérieure; cette capacité d'éxécuter
deux actes parfaitement identiques trouvant une application immédiate
en kératoplastie. En effet, le remplacement d'une partie de la cornée
par un greffon implique que leur forme et taille soient identiques.
Actuellement cette contrainte est respectée par l'utilisation de trépans
donnant des découpes circulaires (figure I-4), l'inconvénient étant
l'extraction de tout un disque lorsque seule une zone de la cornée est
endommagée. L'utilisation d'un système de découpe à mémoire permet alors
d'optimiser la zone remplacée et autorise de plus la réalisation de
découpes coniques favorisant la retenue du greffon.
\
~i~ure I-4 ReMplacement d'un fl6~~nt de corn6c
- Les larmes rendant inopérnntes les colles or~aniques, lé
maintien en place du greffon est obtenu par des points de Guture.
L'existence d'un appareil de manipulation intelliGent cApable de tenir
de fines aiguilles courbes et doté de capteurs d'efforts très sensibles
permet d'envisager l'automatisation de cette nartie de l'opération.
- Le laser qui remplAce avanta~eusement certains instruments
réclamAnt un contact, est très emnlové lors d'onf>rations chirurcricales. • .. • <.>
Son utilisation demande cepend~nt une orientation très précise de l'axe
1,3
de-tir pour des photocoagulations ainsi que des déplacements avec des
vitesses appropriées lors de découpes. Sa manipulation par un système
précis et souple d'utilisation est alors toute indiquée.
- Enfin, la procédure actuelle d'introduction d'électrodes
intratumorales à l'intérieur du cerveau, qui est discontinue (prise de
vues au scanner, décision, calcul des lieux et angles de pénétration,
action /BOUR 84/), peut être orientée du coté aval vers une procédure
continue plus rapide et plus sûre, si les calculs et la mise en place
des électrodes sont alloués à un système de micromanipulation.
Les apports d'un tel système s'avérant ~rands pour plu
sieurs types d'interventions, cela nous a -amenés à concevoir le bras
esclave au. tour â' un élP.méht de tenue· d·, instnimentn et à réaliser le
système le plus général possible.
\
- 14 -
JI MICROMANIPULATEUR ESCLAVE
II.l INTRODUCTION
Celui-ci constitue un dès trois sous-ensembles du sys
tème de micromanipulation (figure I-5).
---------------------------~ t-----------------------------,1 l · retour capteurs 1 1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 con signe c omma'!'lde l 1 1 1 1 1 ORGANE 1 1 1 DE ORDINATEUR MICR0-
1 COMMANDE :ANI PULA TEUR 1 1
1 1
L_ ___ ---------------- _jJ
-, ' retour visuel , ' ~---------------t environnement 1
' .,' .............. ___ .,
Figure I-5 Système de micromanipulation
De nombreux m~canismes d'aide â l'intervention conçus
pour des op~rations sp~cifiques ont ~té r~alis~s et peuvent ~tre cln~~~s
en deux groupes suivant la technologie adopt~e :
1ère . . t. ~enera J.on ...............
Les systèm~s inclus dans cette cl~sGe sont des m~canis
mes simples constituant des ~uides qui ~vitent tout tremble~ent en~en-
- 15 -
drable par la main de l'opérateur et maintiennent l'instrument au repos
lorsqu'aucune action manuelle n'est entreprise.
Citons pour exemple :
le cadre de Tallerac qui fixé à la boite cranienne sert de
matrice pour la mise en place d'électrodes dans le cerveau,
• le micromanipulateur stéréotaxique donné figure I-6 /STRA 72/ destiné à des vitrectomies.
\ "Fi~ure I-6 Micromanipulateur stéréotaxique de
première eénération
Les mouvements sont vénérés directement par la m~in ou par l'intermé-
diaire de vis microrr.étriques donnant une: r:1r:illeur·•' pn~cision.
2ème . . t. p;e ne ra ~on ............... L'adjonction de moteura pour la r~alisation des déplace
ments permet d'obtenir des appareils ne demand:tnt plus l'intervention de
l'opérateur sur le site mime de l'opération 6vitant ainsi toute col-
lision /ZEIS 79j. Cependant la motorisation n'affecte bien souvent que
quelques de~rés de liberté de travail, le po~itionne~ent initial de l'ap
pareil étant ré~lisé à la main.
~!~~!9~!-i Ce classement peut atre co~plété rlu point de vue technolo~ic
- 16 -
que par une 3~me génération de syst~mes lorsqu'un ordinateur assurant
la liaison entre la commande et le micromanipulateur est ajouté.
La démarche adoptée pour la réalisation du système élec
tromécanique esclave développé (photo I-7) est schématisée à la figure I-8
sur laquelle sont représentées les étapes d'avancement et les principaux
facteurs motivant les choix stratégiques; sur ce schéma ne fi~urent pas
des critères tels le prix et la maintenabilité car il s'agit d'un proto
type pour la fabrication duquel des moyens très particuliers ont été mis
en oeuvre.
Nous exposons dans la suite les choix réalisés, les don
nées techniques étant groupées dans /MSVO 8l~j.
I-7 Syst~mc r~nlisé
,.,..---- - - - - - - -,, 1 1 ' 1 utilisation r-----------~ \ 1 '-----------_fil'
----- -- ---- ---, ( sc§curités ',_ ____ ....,_ .....
' .. -~~:i:.u:iè:_e~ _/
~------------,,
1 vitesse 1 \ volume d'action 1 ,...._ _____ -- -·-""' ,-----------,,
1 précision 1 '~~~------~~ \ charge 1 ...._ __________ ,
,--------- ~-,~
1 ' \ milieu ,~--------._~~ ,.._ ___ ---- ___ /
\
1
- J7 -
:mobilités réquises
choix de la cinématique
choix / disposition des -. actionneurs - transmetteurs - capteurs
choix des matériaux
calculs
plans 1 dimensions
essais
Figure I-8 Plan de conception (
- 18 -
11.2 SECURITE
Considérons une vitrectcmie pour laquelle une partie du
positionnement du bec coupant à l'intérieur de l'oeil est assurée par
la rotation de l'instrument autour d'un point correspondant à la porte
d'entrée.
L'invariance spatiale de ce centre de rotation peut être
obtenue de deux manières différentes, l'une.eet;mécanique, l'autre in
formatique
Four un robot (mécanisme en chaîne ouverte), la deuxième
méthode conduit à calculer en temps réel les valeurs à donner aux arti
culations, de façon que .la combinais~n de celleg~ci fasse toujours pas
ser l'fixe de l'effecteur par un point fix'e dans l'espace. Le na,n~er de
cette technique réside dans le fait que la défaillance d'un asservisse
ment ou le fonctionne~ent dégradé d'un actionneur compromettent cet ob
jectif de façon pouvant être brutale.
L'environnement·étant ici un patient, une telle perspec-. tive conduit à écarter cette solution au profit de la solution ~écanique;
compte tenu des efforts mis en jeu, la probabilité de rupture d'un poi
gnet physique donnant l'invariance est plus faible que la probabilité de
panne d'un compo~ant électronique d'asservissement ou de co~mande (ou le
débranchement accidentel d'un fil).
Un chiffraf,e de la fiabilité mécanique n'est cependant
pas nossible car le système est faiblement utilisé et les chocs inter
venant inévitablement dans un bloc chirurgical (démonta~es, st1rilisa
tions ... ) cn~0ndrent des contraintes non chiffrables sup~rieurns à c~lles
ressenties en cours n'utilisation opérationnelle. Par ailleurs pour ce
mécanisme, le fait d'adopter un coefficient de sécurité même élevé, con
duit à des dimensions très faibles. Aussi, certaines valeurs r~tenues
sont en fin de compte les di~ensions minimales imposées par le procédé
de fabrication, en dessous desquelles la réalisation est impossible.
II.2.b Sureté de l'intervention
Nous devons considérer que des incidents peu probables
sont quand même possibles. ~n dehors de la rupture mécanique évoquée ci
dessus, pour la prévision de laquelle il faudrait Cne prolifération de
- 19 -
capteurs et de moyens informatiques augmentant la compléxité de l'en
semble pour un gain inappréciable, on doit tenir compte de pannes :
- informatiques
- énergétiques
- motrices
de transmission de puissance mécanique,
et du réveil non signalé du patient.
La première précaution à prendre est de réaliser des
ajustements entre pièces ne permettant pas le mouvement sous le seul
fait du poids.
Ensuite, puisqu'un blocage du système en cours d'opéra
tion est possible,-la conception suivante est adoptée :.l~intervention
chirurgicale n'est autorisée que lorsque 1~ mécanisme-~e trouve dans une
position instable qui est obtenue par apport correct d'énergie et d'in
formation. Si une panne survient, le micromanipulateur se place alors
dans une position naturelle de retrait, mettant l'instrument hors de la
zone jugée dangereuse. L'information de retrait peut provenir :
• d'un non respect des conditions requises pour le sys
tème de micromanipulation,
• d'un système de surveillance du patient (monitoring),
., d'une co~mande de type arrêt d'urgence, actionnée par 1
le chirurgien ou un aide et constituant le dernier ni-
veau de sécurité.
L'adoption d'une position instable comme fonctionr.e~ent
normal apporte u:ie sécurité maximale dans le sens où si un SP,Ul des in
dicat~urs donne une information de retrait, ou mBme ne délivre aucun~
information du tout, cela provoque la mise en attente de l'effecteur en
zone non dangereuse.
- 20 -
II~.3 MOBILITES
Le travail qui consiste à brouter des zones à l'intérieur
de l'oeil est réalisé en coordonnées sphériques à partir d'un repère at
taché à la porte d'entrée et ee trouve complété par la rotation du vitré
atome autour de lui-même (de façon à orienter le bec coupant qui se trou
ve à la périphérie de l'instrument). Ces mouvements constituent l'acte
essentiel de l'intervention de vitrectomie, ils correspondent à ceux en
gendrés par le poignet et les doigts du chirugien, aussi nous désignons
les mobilités correspondantes : mobilités de travail.
Le positionnement spatial de ce repère est obtenu par un
second groupe de déplacements qui assure la mise en correspondance du
point in va riant avec ia porte d'en trée en· début d; inter-vention. Cet ens
emble joue le rôle ·du bras de l'opérateur, comme lui il est immobilisé
pendant l'intervention; on parle alors de porteur et de mobilités de po
sitionnement.
r"l 1 1 1 1 1 1
!c~~ ..--------_ 1
PORTEUR
1 1 1 1 1 1 1
~ POIGNET
Fi~ure I-9 Décomposition des mobilités
II.).b Redondance d'articulations --------------------------Le mécanisme ainsi obtenu comporte 7 mobilités, soit plus
que nécessaire poul· un fonctionnement dans 1 1 espace. Ce nombre élevé eRt
dQ à la contrainte de contournement d'obstacle imposée par la ~orte d'en
trée; il est cependant trop petit pour permettre l'obtention de deux ori
entations par rapport à la surface interne de l'oeil (celles-ci ne pou
vant être obtenues qu~ par un instrument adoptant une Ctructure de type
'acolopend re' /LAHB 83/).
- 21 -
Lorsque le micromanipulateur est utilisé pour d'autres
tâches que la vitrectomie, cette redondance de mobilités peut être mise
à profit quand certaines articulations tombent en panne. La mobilité dé
faillante peut alors être secourue par les six restantes. Cela justifie
plei:.ement le rôle d'un espion-machine, non seulement comme indicateur
alarme, mais aussi comme capteur permettant une reconfiguration et aug
mentant donc la disponibilité immédiate de l'appareil.
II.4 CINEMATIOUE (figure I-10)
PORTE INSTRUMENT
' . ·- ....... ~
vitréotome (par ex)
, ,/
/POIGNET
Figure I-10
\ R~
Schéma du micromanipulateur
TPX -4• ....
PORTEUR
l l
'
- 22 -
II.4.a ~~~~~~~ (TPX,TPY,TPZ)
Celui-ci associe trois mobilités pouvant être prismati
ques ou rotoïdes, leur combinaison conduisant à un positionnement sphé
rique, cylindrique ou cartésien.
En robotique et télémanipulation, les vitesses exigées
sont élevées et l'encombrement du mécanisme est désiré minimal par rnp
port au volume d'action, ce qui conduit à utiliser très souvent des mo
bilités de rotation ne demandant pas de glissières et engendrant des sys
tèmes élancés. l'association à des actionneurs rotatifs, complétés éven
tuellement par des réducteurs engendre alors une certaine flexibilité
qui peut être recherchée pour des tâches d'assemblage.
A l'inverse, pour l'accomplissement de d~placements de
vant être très précis, 1' emploi· de liaisons prismatiques av~.c une moto
risation par vis (à billes •.• ) conduit à un encombrement non négligeable
de l'ensemble à l'égard de l'amplitude de déplacement(ex: machines-outil).
üne solution à articulations rotoïdes et actionneur rec
tili~ne en chaine fermée, réalisant de façon générale une liaison pris
matique à levier, permet d'allier grande vitesse, bonne pr~cision et
faible encombrement mais introduit une non linéarité entre la commande
sur le moteur et le déplacement dans l'espace (figure I-11).
a)
\
b)
Figure I-ll Types de mécanismes
a) articulation rotoïde} ) chaînes ouvertes ( b art. prismatique
c) chaine fermée
- 23 -
Les déplacements à réaliser étant faibles, l'emploi de ~
trois guidages linéaires précontraints pour le porteur du micromanipu
lateur engendre un bloc précis, rigide et compact par rapport au reste
du mécanisme, qualités auxquelles s'ajoute l'avantage que le position
nement du poignet en mode cartésien ne nécessite pas un transformateur
de coordonnées pour traduire les ordres de déplacement désirés dans l'es
pace de la tâche, permettant ainsi de décharger l'ordinateur d'un cer
tain nombre de calculs.
II.4.b ~~!~~~~ (RX,RY,RZ,TZ)
Cet ensemble réalise les mouvements de travail. Il auto
rise trois rotations d'axes concourants et par abus de langage en~lohe
a~ssi la translation de pénétration/retrait de l'instrument.
Les mécanismes engendrant une rotule virtuelle à centre de
rotation dégagé sont schématisés à la figure I-12 /LHOT 84/.
Système à parallélo~ra~~es Système utilisant un rail
Fieurc I-12 Poi~nets à centre de rotation externe
au système
L'adoption de la solution à rail courbe pour le microma
nipulateur est dûe à des contraintes ~éométriques de déport/collision
avec le porteur.
- 24 -
La translation qui permet le retrait de l'instrument hors
de l'oeil en conservant les autres mobilités fixes est colinéaire à la
translation de travail TZ. L'énergie de retrait est fournie par une capa
cité mécanique (ressort) ayant été comprimée par un vérin pneumatique,
le mouvement de retrait étant amorti par une résistance à l'échappement.
Un contact électrique en butée basse autorise l'initialisation de tout
le système seulement lorsque la condition de position instable est res
pectée, une chute de pression significative en cours d'intervention en
traînant une alarme de retrait et une réinitialisation hors de l'oeil.
!I .5 PORTE l}!STRUM'CNT ( fig.ure I-13)
Il constitue un effecteur interchangeable permettant la
tenue de plusieurs instruments chirurgicaux, ses dimensions autorisant
également l'embarqueMent de c~pteurs de force pour des applications par
ticulières de sécurité ou de retour vers l'opérateur /DAVI 83/. Le changement de l'instrument est réalisable en cours
d'intervention, le mécanisme venant alors dans une position chargement/
déchargement.
\
Vitréotome
-----<J .... ______ __,---t,_~~---,.~2---~ 1
---------, . -·. -- ---r
-----------1 _________ J
CORPS DU P. I.
Fi~ure I-13 Porte vitréotome
(
- 25 -
II.6 UTILISATION
II.6.a Volume d'action
Une fois la base du mécanisme esclave fixée sur le lieu
de_ l'intervention, le porteur permet au point invariant du poignet de se
déplacer dans un cube de 10 cm de coté; l'orientation de l'instrument
étant limitée dans le plan du rail à !Go degrés par rapport à la verti
cale, aucune hutée ne restreignant son inclinaison dans le plan vertical
perpendiculaire au précédent.
butée
II.6.b Initialisation
Tout emploi du micromanipulateur passe par la mise en
préa lé!_ble de tous le~; dee;rés de Iiberté . . - les translations du porteur placent le poignet en position
dégagée,
les translations TS et TZ sont mises en position haute,
- l'axe de l'instrument est placé verticalement.
L'alimentation en air co~primé du système terminal permet
alors d'amener l'instrument en position instable d'intervention (TS en
butée basse). A ce moment, la pointe du vitréotome Matérialise le point
invariant du rnéc~nis~e.
L'utilisation du porteur étant autorisP.e, le chirureien
peut positionner l'extrémit~ de l'instrunent en correspond~ncc avec la
porte d'entr~e de l'oeil réalisant ~insi le positionnem~nt du roiF,net.
r,~ blocélce du !Wr~-:1:? 1.·,r:s cette '?osition met fin à la -phase d'initiali
sation et ~erMet la comwande ~es mobilités terminales.
II.6.c Incident
La course du v~rin qui plé!ce l'instrument dans une posi
tion instable étant de 40 mm, toute alarme mettant fin à cet ét~t permet
J.e retrait du vitréotome hors de l'oeil quelle que soit sa position
(~moyen d'un oeil : 21•mm). Tout nouvel emploi du syst~me·de ~icronani
pulation èemande alors une réinitialisation loin de la ?.one d'interven
tion.
- 26 -
11:7 MOTORISATION
II.7.a Actionneurs
L'environnement chirurgical impose tout naturellement une
technologie électrique, les avantages étant nombreux propreté, préci
sion, facilité de transport et aisance d'interfaçage avec l'informatique.
Dans tout bloc opératoire existe également une source pneumatique utili
sée par certains instruments. La légèreté des actionneurs à air comprimé
associée à leur caractéristique tout ou rien, nous a amenés à l'employer
pour la translation de sécurité TS; l'énergie électrique étant utilisée
pour les autres mobilités.
II.7.b Emnlacement --~--------
Lorsque les accélérations sont élevées, un déport de la
masse des actionneurs vers la base permet une meilleure dynamique de l'en
semble, au dépend d'une certaine augmentation de lR compléxité (transmis
sions devant être très peu élastiques).
Si le système est rigide et quasi-statique, ce recours ne •
s'impose pas, ainsi l'emploi d'ensembles micromoteurs-réducteurs-codeurs
optiques ayant une masse faible et pr~sentant une gène visuelle peu éle
vée a permis d0 les placer sur les lieux des liaisons.
\ II. 7 .c Vitesses
Compte tenu du volume de la zone d'intervention les vites
ses maximales adoptées sont :
positionnement du poiR;net C'r:t·'X, TPY, TPZ) 10 rnm/s
orientation du poip;net ( RX, RY) 12 o;s
• translation axiale du vitréotome ( TZ) 1 mm/s
• rotation axiale de l'instrument ( RZ) 60 o;s
La vitesse de retrait de sécurité (TS) est réf.lable par
une résistance placée à l'échappP.ment du vérin.
- 27 -
II:B MATERIAUX
II.B.a Partie terminale
Le poignet du micromanipulateur devant être le plus léger
possible, des matériaux de synthèse ont été employés pour :
- la réalisation de pièces sur lesquelles les contraintes
sont faibles,
- le remplacement d'organes mécaniques encombrants (bagues
en matériaux à faible coefficient de frottement au lieu de
roulements et cages à billes) ;
en effet, ces matériaux offrent plusieurs qualités
• ils ont une faible-densité,
~ ils allient des propri~tés souvent contraires chez les matériaux
tradition:1els,
• certains sont stables à ctes a~ents désinfectants.
Polyacétal
Polyamide
Tétra fluor
éthylène
Les variétés utilisées sont
avantages
- dur, rir,ide \ .
inconvénients
- coeff. de frott.
( 0 ,4)
-densité : 1,40
-s'use (l~,5 ~m/km)
-densité (1,14) - àureté, rigidité
moy~nr.c>.s
( 0, 09 _llr:t/km)
applications
supports
p-u i d;:J r;e s .l ...
- coeff. de frott.- s'use vite (21 pm/km) ~uidages demandant
(0,2 sur acier) - tendre
- densité (2,15)
- forte dilatation b
1;'1 chaleur
un très faible
coeff. rie frott.
Un avnnta~e suppl~mentaire présenté par rapport aux matP.
riaux classiques est la possibilité de collaee.
- 28 -
II.8.b Rail
Celui-ci devant supporter le poids de tout l'ensemble ter
minal sans grande déformation (invariance du centre de rotation du poi
gnet), sa réalisation a fait appel à un acier inoxydable (Z 2 CN 18-10),
en effet ce matériau rigide autorise une section de rail plus faible qu'un
alliage d'aluminium pour un poids sensiblement égal. Les matériaux compo
sites quant à eux n'ont pas été retenus à cause de :
-la compléxité de réalisation (moule),
- leur faible module de cisaillement (fibres unidirection-
nelles).
II.8.c !:~~:-~~~-~~:~~~-~~~~~9~~~ En bloc chiruigical, la stérilisation.par la chale~r ne
porte que sur les objets venant très près ou en contact avec la zone
d'intervention, le reste èc l'environnement étant désinfecté par le main
tien àans ur.e atmosphère d'aldéhyde formique pendant 2 ou 3 heures.
L'impact de ce produit à base d'alcool sur les matériaux employés a ~té
testé et s'est avéré nul.
\
J
1
J
- 29 -
JI[ ORGANE MAITRE
III.l INTRODUCTION
Après la description du système esclave qui constitue un
compromis mécanique entre le robot et la machine-outil, nous considérons
maintenant l'autre extrémité de la figure I-5 : l'organe de commande.
Celui-ci transforme un si~nal biologique issu de l'opéra
teur en une tension exploitable par l'ordinateur.
III .2 TYPES DE Cot-:~:AHDE
Plusieurs solutions peuvent être choisies concernant
l'entrée, la sortie, la relation E/S et la co~binaison de capteurs élé
mentaires de manière à former cet organe maître /~UET 81/.
La relation qui lie l'entrée du syst~me à sa sortie peut
adopter la forme : \
tbut ou rien (boite à boutons)
- à seuils
- proportionnelle
-non linéaire.
Cette derni~r~ est er.:nloyée Jorsquc l'on df·sirc b. la fois un tr:'lvail prr'!
cis et rapide. In solution tout ou rien n~ permettant que deux valeurs,
apparait peu naturelle pour l'homme car elle impose des contraintes de
travail trop importantes, ne serait-ce que pour l'arrêt précis à l'en-·
droit choisi. Aussi, la pr~férence va-t-elle souvent vers une com~ande
de type proportionnel.
III.2.b Entrée
La grandeur d'entrée de cet orrrane peut prendre la forme
d'un dépJacement ou d'un effort. Le premier est très utilisé lorsque les
mouvements du système esclave doivent être précis, le second étant plu-
- 30 -
tôt réservé aux grands déplacements rapides. On doit remarquer que pour
les poignées de commande en effort acceptant plus d'une variable en entrée
(commande en X-Y, •.• ),la difficulté à apprécier la direction oblige
parfois à adjoindre une légère compliance.
III.2.c Sortie
La grandeur attachée à l'esclave, qui est affectée par
la position ou l'effort sur l'organe maitre est soit la position, soit
la vitesse.
Dans une commande position-position, très utilisée lors
q~!une trajectoire précise est_à réaliser, un rapport existe entre les
dép~aceme~ ts du maitre et de 1-' esclave. Pour ce type de c-ommande, 1' homo
thétie entre le micromanipulateur et le système de commande devant fonc
tionner en temps réel, cela implique une bonne dynamique du premier ou
un retour limitant la vitesse du second.
La co~manèe position-vitesse oblige à un rappel de l'or
gane de commande vers son point neutre, rappel n'existant ~as dans la
solution précédente. Ce second type de commande est plutôt réservé pour
des déplacements où seuls comptent les points de départ et arrivée, ou
bien lorsque la trajectoire suit des axes privilégiés.
\
III.2.d Variables commandées
La manière la plus simple de faire mouvoir un manipula
teur est d'établir une relation entre cha~ue mob~lité de l'or~ane de com
~en~c et chaque variohle nrticulair~ cle l'~Hrl~v~, l'inconvénient étnnt
le jeu rrental que <.~oit développer l'orérateur pour accor.1pl:i.r u:: mouver•a~nt.
Cette commande dans l'csp:1ce des variables articulaires peut avanbccu
sement être remplncée par une co~rnandd dans l'espace de trnvail par l'in
terposition d'un transformateur de coordonnP.es (fip;un· I-llt).
Dans notre cas, l'utilisation de liaisons prismatiques
pour le porteur rend le transformateur de coordonnées tr~nsparent, l'opé
rateur pilotant alors directement les déplacements de l'effecteur.
a ~.
d ~··- ..... k.a
- 31 -.
commande dans l'espace des
variables articulaires
( • • •·-· . .. ...
K.x
commande dans l'espace de
travail avec un transfor
mateur de coordonnées
Fi~ure I-1~ Exécution de la com~ande
. ..,
Depuis la table de mixage à n curseurs jus~u'à la poi~née
équipant une reproduction identique du micromanipulateur (pentin), l'or-0
gane de commande peut prendre une multitude de formes, chacune possédant
ses avantages et inconvénients et ayant donc des applications ponctuel
les; un or~ane universel n'existant pas.
Une,condition essentielle est cependant â respecter, il
s'agit de la compatibilité spatiale entre or~anes co~manèant et conmandé;
des décalae;es de sens ou de direction supérieure à )0 àe1•:rés perturbent
la manipulation en obligeant l'op~rateur ~ r~fl~chir, ils opacifient
l' interface homme / m8chine
élevée.
et en trr1 înen t une cha n·e .e t rA va il pl us
- 32 -
III.3 CONSOLE DE COMMANDE UTILISEE
III.3.a ~~~~~~~~~~
Nous avons considéré un poste à deux manches (X-Y et Z-R)
permettant la commande des mobilités du porteur ou de celles du poignet,le
passage d'un mode à l'autre étant obtenu par un commutateur basculant
vers le bloc commandé (figure I-15).
\
• '
... '::::1...& 04 / ----0·1..,-:0 0 ,._._. ••• r~ ~ . 0. 1
' •• , • 1
..... -. _, ' /... . . , ...... _ '::;. .,.
, ~ • • - - , • • r .... 1
~:' ·~ ,, • ../.- -" ,t ,._ ______ .. ., ,,
~ - - - .,..., . :,a - ,~..:, ~~-~ {- ~--., . ,
' . . ' .. - - - _,
a) Commande du porteur
b) Commande du poiv,net
3
Fi~ure I-15 CommDnde du micromanipulateur à p~rtir
d'une con~olc DVec découplag~ des mobilités du poi~net
et du porteur
-.33
Cette disposition, après un temps d'apprentissaee court,
permet une manipulation naturelle. Cependant, l'opérateur n'étant pas
embarqué sur l'~ffecteur, il arrive que le sens de l'outil soit disposé
vera l'opérateur ou s'en éloigne; la confusion résultante demande un
temps d'apprentissage un peu plus long mais disparait complètement au
bout de quelques heures de manipulation.
II.3.b Réalisation
Les mini-~anches utilisés sont à rappel vers le centre
et commandent en vitesse les dêplacements de l'outil chirurgie~!. Comme
ils ~e sont ra~ m<:?torisés, l'eff?rt de _contact f.lir,uille-mil-ieu ne peut
p3s @tre restitué, aussi au retour visuel direct existant nor~ale~ent,
il a été ajouté pendant les essais sur banc, un retour sonore indiqu~nt
un contact outil-milieu. Ce retour auditif est un complément d'infor~~
tions à seuil utilisé en téléopération unilatér~le pour l'information de
contact pince-objet et peut é~alement être employé pour délivrer des in-. formations proximétriques, dans ce cas il ~eut donc remplacer le retour
d'efforts, source d'instabilités.
Les <'lmpli tudes ries mouv8r'lents à eneenclrer sur les !lwnches
sont faibles et fer~ettent aux poignets de l'opérateur de rester fixes;
la précision obtenue par ce syst~me d~couplant les orientations et l0s
positions est ~insi meilleure que celle obtenue ~ar un systè~e combinant
toutes les mobilités l'l'ais ne permettant pa0 l';~prui du br.<J~ rle J.'o:-ér~t0ur.
L'icconvénient en est bien sDr l'ir1possibilit~ rl'obtenir une tr,joctoire
Ximité Oe suivi è' une surf<Jce quelco::que est :Jlors possihle r:•rec sc·~le
ment deux mobilités de co~mande).
L'aména~enent d'esp~ces morts prÀs des points neutres
permet d'~viter tout coupla~e non dêsir6 (entre, par exemple, X co~~and~
et Y devant rester im~obile ).
- 34 -
J:IZ: CALCULATEUR
Il est basé sur une carte Apple à microprocesseur 6502
choisie par l'existence de nombreux connecteurs permettant l'enfichage
de cartes spécifiques ou de liaison vers d'autres systèmes. Le fait que
ce calculateur soit ouvert en fait un instrument évolutif.
IV.l ENSEMBLES GERES (figure I-16)
Pendant les essais du micromanipulateur, se trouvent con
nectés sur cette carte -
- une liaison série vers le bloc dôcentralisé de co~~ônde
des moteurs pas à pas du porteur,
- une carte supportant des ports d'entrée/sortie vers les
moteurs du poignet et les capteurs de fin de cours~,
- une carte de conversion analogi1ue/nu~érique recevant les
tensions de l'organe maître,
- une unité de disquettes,
- un clavier détachable et un écran pour le dialogue avec
l'homme,
ainsi qu'une car\e supportAnt des ports d'E/S vers les plateformes de
simulation.
IV.2 LANGAG8 DE COMVANDE
le choix s'est porté sur le lan~a~e FORTH. C'est le seul
langnee disponible sur microcRlculateur qui permette une gestion en temps
réel de plusieurs processus (avec rrise en compte des capteurs). Il a ét~
utilisé dans de nombreux domaines : pointage de télescopes, animation de
décors, robotique. Il est presque aussi rôpide que le lan~nge assembleur,
très compact en taille m0moire utilisée et possède la ~articularité d'être
modulaire et extP.nsible : ~ pôrtir d'un vocabulaire de hase formant le
dictionnaire de départ, l'utilisateur d6finit de nouveaux mots-fonction
en.faisant appel à ceux existant déjà et par là augmente le volume du dic
tionnaire et le domaine d'action. C'est aussi un lan~a~e qui est structuré.
- 35 -
Son défaut est d'fitre totalement illisible sans forte
concentration.
Nous avons utilisé ur.e version èe Forth qui est axP.e vers
le calcul scientifique : le TRANSFORTH. Celui-ci est compilé, les mots
étant traduits aussitôt que la fin de leur définition est effectuée. Il
n'est cependant pas standard.
Orr-11 ne mR i t re
! icrn-
':'"1 r.i f'll~'l t:c•ir
·.~.sc 1."1 '.' •."
- ..... ~. f."1.!".
0 Unit.:. :···
r, ·1 , ., i , r
Fi~ure I-16 C3lculatcur
- 36 -
IV.3 LOGICI::L
La commande du micromanipulateur peut se faire à partir
de la console ou du clavier de programmation. "l' apprentissage d'une tra
jectoire et le stockar,e sur un support externe sont permis; la combinai
son à une autre trajectoire déjà apprise autorise la génération de gestes
complexes, une structure conditionnelle pouvant être mise en oeuvre afin
de prendre ~n compte les informations en provenance des capteurs instal
lés sur l'esclave de manière à permettre l'enchaînement des gestes.
Pendant les essais, la comr~anèe de l'esclave a réuni les
modules suiv~nts (a~nexe 1) :
- conversions analordque:::;-numériques des valeurs d~ la con-
sole,
- com~~nde des moteur3 ~t rrisc ~n co~rte ~es cant ur~ de
fin cie co u r se ,
- 5estion des plRte~ormes d'esHais (lerture/4critur~),
- co~pt~~e du temps,
comptRce des erreurs de rnanj.pulation,
- festion de l'écrnn.
L'utilisation de Tr~nsforth a ainsi permis le fonctionnement ec temps
r~el du s~st~me (aucun te~ps ~ort n'est re~s~nti rnr l'or~r3teur), c~la
rnel~ré la le~teur du ~icronrncesseur 5502 (1 MlJz). \
- 37 -
JZ: CONCLUSION
Le système de micromanipulation présenté constitue une
base pour les recherches dans le domaine chirurgical et possède la qua
lité d'être très souple d'utilisation et ouvert à toutes modifications
et extensions. Dans l'état actuel, c'est un micromanipulateur unilatéral
limité pour des travaux sur organes fixes.
L'interSt principal de ce syst~rne r6~ide dans l'interpo
.sition è'un oroin<:ltPur ~ntrr. len p~r:ies ~r.:ttre_et csclflvc, ce qui e-n
fait un micrornAni~ulateur de ]~ ~rcmi~re et la Reconde
Génération ét~nt constituées oAr des syst~~es Pnti~r~~cnt m0cnniques
/S~RA 72/ et éléctro~~caniques /Z~IS 82/.
La pré.sence de l'ordinateur ouvre ainsi des perspectives de recherche tel'es que :
- l'implantation de boucles automatiques pour l'éxécution
de travAux rérftitifs,
- l'nsGervis~e~ent sur d0s nr~an0s mobiles, \
- l'étnblis~ernent d'une colJ~horation honne-rnacltine efficace,
Je coupln~e ~ des eyst~mes d'Aide A lR ri~cision,
- le trAv~jl en coon~r~tion nvPc rl'~utr~~ hr~s.
- 38 -
:n:
EVALUATION DU ·SYSTEME DE
MICROMANIPULATION
\
- 39 -
I INTRODUCTION
a) La réalisation du système de micromanipulation a pour
but principal de permettre des interventions avec une précision trP.s
accrue par rapport à celle obtenue par ln main humaine, toutefois
l'introduction d'un appareil de manipulation entre l'opérateur et l'ins
trument a souvent comme consé~uence d'élever le temps de l'opération
(multiplication èe la durée de l'intervention à la main par un quotient
temnorel q ) • . t Ces deux rAramAtres ainsi que les chAn~emcnts jntcrvenant_
d.<~ns les contrflintes d'~xA_ct~tion ressenties rar l'oJlPr~teur en cours foe·
~anipulation con~tituent les trois co~~osnntes fondRment~lc•: de l~ ~~r
for~';nc·:! èu s"·stP.~~ de mi.crorrar.ipulation qui seront évélluées ri.nns 11n
nrel'licr tel"'lps.
b) L'observation de la perfor~Ance réAlisée p!r le svstème . Eomme/~·\'3chine lorsque èes facteurs vffectant 1 'opérDteur sont modifiés
per~et ensuite de tester la robustesse du systême entier ô un mauvais
foncti0nnerr:f'.nt c~e 1 t " n comnos~in e uo~me.
\
- 40 -
II PERFORMANCE DU SYSTEME H-M
II.l PRESENTATION
Le systèmP. d'intervention étant constitué de deux enti
tés : l'opér~teur et le système de rnicro~anipulation, la qualit~ de
l'intervention résultante dépend de la performance de chacun d'entre eux.
Sur un type de tâche donnP. et sDuf défaillance, la machine pP.r~et une
quDlité d'intervention qui est stable dans le temps, ln variation de per
formance.enregistr&e 6tant alors dGe à l'opérateur :
Ptrr( Int.) ~
nerfor::"1Flnce
ù'intervention
r:u système H/H
= -K +
contrj.huL,ion
de lA mnchine
(consid~rée este)
_. Pcrf(CP.)
~
contribution
àe l'orérvt~ur
(v;lriAble) .
II .l.fl :-'::~cb:-•lrs Ge ~cd"orm<Jnce r.u mir.ro!"!ën!i-c:1l.s t~1~r --------------------------------------------
a) La perfor!"!nncc d'~x&cution /CGIF 82/ ..........................
- v,.·~.,_,~ r! ';·r:~i0n,
- F:~n~ihiJitP.,
ch;o"~rre util~
sont essentiellement en 1 • 1 · ~~n~r"S rnr es Jeux, inertien ct ~lnstic~tés d~
1° char~ente, par la ~ntorinntion Arlopt(e ct le type de com~an~e utilin~ ~t ~ont, ~OUr le rlurart, conr.us p~r le CD)cul.
b) L'cxtensibilit~ ...............
- 41 -
sant ou non le couplage à des systèmes développés ultérieurement, condi
tionne la performance future du système de manipulation. Les choix ef
fectués lorr. de la conception, fais~nt appel à une large part d'incer
titude car fondés sur des standards existants, ne peuvent être vérifiés
qu'avec le temps.
c) La transparence du système /GART 79/ .......................... Ce facteur affecte l'opérateur en lui imposant en plus
de la charge dOe à la tiche à accomplir, une charge de com~ande.
Les r~~les de l'ergonomie perrnettnnt la crévtion d'inter
faces Homme/t·achine relative!'r.ent naf:urels /HOFK 82/, sont souvent trop
~énérales et le choix permi un ens~rnble de solutions acce~tables ne p~ut
être réëïlisé que p<H de~ ~ssais-;
Il est à rerarquer que ceux-ci rév~lent en outr~ des d~
t~ils qui né~liKéS lors de 1~ conce~tion du syst~~e, precncnt u~0 i~por
bnce c~:>nl'lidérable lors de l'utilisation. ~~insi, certains r:oteurs pAs à
PAS feuvent en~endrer un bruit tr~s désacr·\Hble ~yRnt une incidence sur
l'humeur de l'opér~teur et se rPpercutant sur la qu~litF. de. l'int~rvention.
II.l.b Félctf't:rs èe nerfonM:tnce de l'onérr.~teur /i<CKL 79/ ------------~-----------------~-------\
Une {tu,!e 'oibliO;jrélphique des fvcteurs a.YAnt une influ-
ence ~ur lR performAnce d'action de l'op~ratcur pcr~ct un classement en c~eux r:roupe~ :
,.., .:. ~·n··:.r-f' :~r~t0r; irJ~~~r.e ~t 7'C'U!""' ] 't~v;-t1Urltion t.c ·~~n~·l.- ur· certrJir. r~o~<,r·~ d0
rr ; t :i 0 '· G ' 0 n t é té d (· '! 0 ~ G f!: tf. l' S • 11 0 1 .1 f'; i t de :
l'entraînement : c
- la dif~iculté èe trnv~il ressentie : d
-la pr•·n~ion i,..,ros,>e rnr l0. conte::tr~ (tension ncrvE'!tsc) s
-la fati~~ue <1CCUI"tl1.~e: f
Ce~: f;'jcteurs l'lent liés entr!! eux, 3insi un~;: (:·~F.·•Jation de lr! ff1ti,c~1JP. cn
trëlüte une nug~er.tëltion de la difficulté de travni.l p(:l'Çue, ur· ··r;1:1d en
tr3înement permet d'atténuer ]er· pics de tr?n.sion nerveur-:"? •..
Le seconrl rro11re comrr,~ncl de;.; félcteu~r; ;):mnt une i:,flu-
- 42 -
ence indéniable, tels :
- la motivr.~tion
1 'émotivité (sensibilité À la présence de spectateurs ••• )
mais pouvant itre considérés comme constants et homogènes pour une classe
professionnelle donnée, et donc non retenus pour notre étude.
II.2 EVALUATION DU SYSTEME DE MICROMANIPULATION
Adoptons les notations suivantes
E l'espace de performance (dim p) Tl
T. un type d'intervention donné J
sk· le S~ïstf:m~ de :-nnnirulation; rouvant être la Mflin de J 1 Cl:'~!".'lteur
ECP = { OP 1 ,or2
, ••• ,crD} -~~~ ensemhJe d'orérateurs
F = [F1
,F2
, ••• ,Fq) un er.s~mhle cJe f,-tctf~urs propres f1 1 'n-:·(·:P.tenr
"'11:( •1a1eurs co:"lrrit;cs ent:c (• et 1
.... { .... 1 G2 ,... r~ ,, = u , J , ••• 'u J un er.ser.1ble de f::tcteurs nffect"lnt 1 'o;/-r,te,Jr
dur-'lnt l'intervention ( O~valeur:s~l)
~ous carnctérisor.s ~insi ch~~ue in tc:! .... , c n ti. 0 :1 I . :-,., r ur. ~.
( -:: ' 'i) url et J - ( T c· C·I: ~<' 1 "'q ) . - • 1 ·.J,_ 1 1 1 ... 1 ••• 1. •
l. \ .1 r. l l.
~t construisons ur. vect~11:- performr~nc!'l MI.) de rli~enc-;jon 2+:- dont les. l.
co~~os~ntes concernent :
Choix : .......
et
- l<J ):.'erfor~~r:C':' ·!' ir.t~:rv,;:ntion du s~r.stf.rtF~ ;.~;;.:
• '!" rr.. r ir- i on rl ' .; :.-..; r. ut ion ( ~ . ) . . 1
. :.~;.·~:; d'l.n:c:~·v~nt:i.on (t.) ).
ll'l c~~r-:~ i·r~~0!':0e h] 'o:-.érntr.11r ;.:-1r 1·-:- s::ct·~·~~ ~;·.~ !":'!~t:ir-u-
1 a t i on ( r; . ) J
Pc I.) l.
t = [?. , t . , ~;; , · · • , G: ]
- l. ]. ... 1.
I. = ( r ;, cr .... r ) l. J'' k' 1'"'1 . . . . l. 1
'Fo. > ~
- t = lT'.,t.,d.,~.] '1 1 1. l.
- 43 -
T. -J p s
k -Pour chaque tâche T., le relevé des performances P(I.) J l
réalisées par l'ensemble des opérateurs lorsque les conditions d'inter-
vention
e. = 1 et f. = 0 · l l.
sont respectées, permet de former un nuage de points dans E dont le cen-
tre d'inertie est considéré constituer la performance reche~chée ~Tj du système de micromanipulation Sk relative au type de tâche Tj Sk
(exemple figure II-1).
r .. ........ .,..
[ :~ J ~- ... k t =
s· k
\
c!'un Gystf-,Me !), f>l.lr ur.e t:)c{:e-tV'OP. f., tJ:1ns K ' . ,J
un esn~ce de perfor~ance restreint ~ un rlan
Ch.<~'ltH! pcrformnnce relevP.e dor.t l0r. col"':nosanter. sont rclat:iv~~~
- à l.<i tâche
- fl l'opP.r~t-:?ur
peut être d?composP.e ~n : --P(I.) T.
= F' .J sk
-+ L'l P( OP ) . l n l
T . - j ou~ p - s
k
- 44 - ..
correspond à ce qui est obtenu par un opérateur virtuel;
ôP(OPn)i étant fonction :
- de l'opérateur
- des facteurs l'affectant à l'instant i
(figure II-2) •
facteur~ propres à l'opérateur
char~e dûe au contexte (tÂche + environnement)
. \ F1~ure II-2 Facteurs de performance de l'intervention
Afin de tester la robustesse du système d'intervention,
il convient alors de faire varier les facteurs opérateur, modifiant ~inRi
le~ performances enrc~istrées, et permettant de décider des valeurs li
mites à adjoindre aux facteurs, d'un coté desquelles l'intervention est
acceptée.
Hypothèse :
Nous admettons que la variation forcée d'un des facteurs, engendrP.e par
les conditions expérimentales, n'a aucune incidence sur les autres fac
teurs; cette simplification étant valable en première approximAtion car
la variation d'un facteur engendre ur.e variation bien plus faible des
autres restants.
- 45 ~
m DISPOSITIF. EXPERIMENTAL
III.l PLATEFORMES DE SIMULATION
III.l.a Choix de réalisation
a) Le développement d'un système de simulation de tâches
microchirurgicales s'avère nécessaire car le relevé de la performance
d'intervention demande l'enregistrement de la précision p., paramètre . ~
non mesurable en conditions réelles d'opération, les essais sur cobayes
n'engendrant des résultats que sous forme de succès/ non réussite et ne
permettant pas une appréciâ.ti~n plus fine de-la qualité de l'opération.
Remarque : un système de simulation est nécessaire pour l'entrainement
des opérateurs : ainsi la réalisation sur simulateur de la première phase
de l'apprentissage ~end~nt laquelle l'opérateur bâtit la plus ~rande par
tie du modèle interne servant de référence pour la coMmand-e du micromani
pulateur permet de créer des contextes différents amenant celui-ci à ex
plorer toutes les possibilités du syst~me en peu de te~ps.
b) t•étude des systèmes de simulation de tâches permet de
classer ceux-ci en deux catégories, relatives aux deux points précédents
Systèmes de mesures /FERU 84/
Ils font appel à des tâcres-type relativement simples
suivi de trajer.toire,
insertion tige/cylindre.
Le relevé en continu des positions et efforts engendrés par le système d 1. 1 ntervention permet d'extraire des données telles les erreurs Le suivi,
les Valeurs rnoyenn~s des vecteurs force et moment d'insertion, servant
alors à comparer divers systèmes de manipulation entre eux, ou avec 1 'homme.
~stèmes d'entraînement
Ils· simulent le plus fidèlement possible le support de travail et les
- 46 -
rèactions de celui-ci. Un critère de normalité, donné par des seuils re
latifs à divers paramètres du système, entra1ne l'avortement de la mission
lorsque le dépassement de l'un d'entre eux se produit. Le but recherché
étant d'amener l'opérateur à effectuer des interventions à l'intérieur
des limites de sécurité, le résultat est donné sous la forme : correct/
accident.
c) Un système intermédiaire entre les deux solutions pré
cédentes est envisagé pour l'évaluation du micromanipulateur; il est cons
titué de deux plateformes simulant un type d'intervention et comportant
des obstacles fixant la VAleur de précision demandée pour l'intervention.
L'enregistrement de l'opération se fait sous forme dicho--
tor.~ique une variàble. n cor;ptant le nombre de- fautee commis<?s durant
l'intervention est initialis~e à zero et gardée figée aussi longte~ps
que l'opérateur effectue la t~che en res?ectant les contrainteR de pr6-
cision exigées; le toucher d'une surface sensible entraîne l'incrémenta
tien de n mais n'interro~p pa~ l'intervention.
donnée par
La coMposante n du vecteur performance FCI.) est alors - i ~
le p~ram&tre de ~récision impos~e sur la t5che T. .l
~a variable nombre de fAutes de l'intervention Ii
c. J
n. ~
Pcii) = [ nicj) ,ti,di,si] t
Le HitP. d'intcrv~ntion est une demi-sphère dont 13 f~ce
interne porte N1
éléments identiqu~s, r0.partis aléatoirement (pour l'ex
périmentateur); chacun d'entre eux étant composé (fieure II-)a) :
d'un micro-contact,
- d'un c~che muni d'une ~orte d'entrée,
-d'une diode électroluminescente signalant l'élément activ~.
L'intervention consiste à fermer len micro-contacts avec
la poin~e d'un vitréotome, S3ns toucher les caches, suivant un sens pré
établi si~nalé par les diodes.
- 47 -
Les dimensions du site, ne permettant pas l'atteinte de
chaque élément lorsque le point invariant du mécanisme est positionné au
centre de la plateforme, obligent à utiliser les mobilités du porteur et
du poignet du micromanipulateur pour chaque intervention élémentaire.
Figure II-3a Plateforme de simulation de vitrectomie
N - 8 ,- c 1 = l mm
- 48 -
La gestion de la plate!orme est assurée par le calcula~
teur Apple II servant à la commande du micromanipulateur, un module Forth
implanté dans l'arbre de commande :
- gère un port d'entrée (état des contacts) et un port de
sortie (état des diodes) suivant une stratégie de pour
suite donnée à la figure II-3b,
- compte le nombre de transitions non contact~contact entre
l'aiguille et les obstacles (n),
- engendre un signal sonore avertissant l'opérateur lors
qu'une faute est détectée,
- lance un chronomètre lors de l'activation de la première
diode et le fige lors de l'action sur le dernier poussoir.
contact l
contact 2
\
contact 8
1 ..
1
1 1
di:de l a-llumée-,------~ les autres lteintea i diode 2 allumée, 1
les autres éteintes 1
1
1 1
1
Figure II-3b Poursuite imposée à l'opérateur (N1= 8)
Ce second constituant du dispositif d'essais est composé
d'une surfa~e plane comportant (fi~ure II-4) :
- une rainure,
- N2 obstacles engendrant des restrictions de passage,
- N2 micro-contacts à actionner au passage.
- 49 -
Le poignet étant correctement orienté en début d'opéra
tion, le suivi de la rainure ne demande que l'utilisation des mobilités
X et Y du porteur.
• ... :s c ... e
•
Le module de gestion reste analogue.
•
\
,: t~ t 111 i<: r.:>-con tact
contftct outtl-oh11tacl~a
10icro-contact
0 1?.0
Figure II-4 Plateforme de suivi
N2= 20 , N~ :4 , c2= 0,5 mm
- 50 -
IÏI .2 TACHE AJOUTEE
III.2.a Choix de la tâche -----------------
Dans la seconde partie de l'évaluation, la variation des
facteurs e,n,f affectant l'opérateur est réalisée sans modification du
système de simulation; ce qui impose, pour avoir un groupe de résultats
homogènes, de faire varier le facteur difficulté d par l'ajout d'une
tâche effectuée en même tempe que l'intervention principale et ne chan
geant donc pas les paramètres des plateformes d'essais.
Le choix d'une tâche de maintien d'une cible mobile à
l'intérieur d'un domaine, sur écran graphique, permet de répondre aux
contraintes suivantes :
tâch~ prenante (fonction du temps),
- tâche utilisant les mêmes canaux sensori-moteurs que les
interventions sur plateformes de siffiulation (tâche oculo
motrice), cela afin de ne pas permettre le travail simul
t~né et obligeant à une allocation séquenti~lle de l'at
tension,
- type de tâche sensiblement identique à la tâche principale
(pilota~e demandant une forte attention mais fAisant in
tervenir un effort musculaire et c~réhral faibles).
LD tâche ajoutée, réBlis~e sur un calcul~teur placé près
de l'opérateur (fir;ure II-5a), co:'lporte nn !'""vé se dr~:,Jnçar.t È: vit':!!':.se
constante sur l'écrnn, et ne devant pas v~nir en contDct avec les limites Visualisées du champ.
(
L'opérateur peut modifier le sens des composantes de la
vitesse de l'élP.~ent mobile p~r appui sur certaines touches du clavier,
disposées de façon loeique entre elles, mais n'ayant pas de m~rquaF,e par
ticulier (figure II-5b). Lorsque le pavé touche le bord du champ, il
s'immobilise et une variAble A totalise les temps d'arrSt.
La char~c supplémentaire ap:rortée pAr cette t~che est
dûe à ce que l'opérateur doit :
- 51 -
- garder présent à .l'esprit le modèle de déplacement de
l'élément mobile et actualiser sa position pendant l'intervention sur la
plateforme,
- effectuer une recherche de la touche correspondant au
changement désiré parmi un ensemble de touches semblables,
- développer des efforts d'adaptation
Fü;ure II-5a
Disposition
de t ra va il
Fip;ure II-5b
Tâche ajoutée
(la nga ee Gz< •-Forth)
\
• le clavier et l'écran sont dans des plans per
pendiculaires,
• la nature des tâches est différente (précision/
temps),
• les supports sont dissemblables (luminosité).
Tache .r:~jout~e
0
~·~ic rom:'l-i .,.,:!.., t· .... u r +
plateform~ d'P.~~ais
50 cm
Modir1e4 ti one
.r..,,.lieablee
- 52 -
III.3 EVALUATION DES FACTEURS-OPERATEUR
III.3.a Présentation
L'emploi d'une grille d'auto-évaluation permet de relever
les facteurs-opérateur d,s,f à la fin de chaque intervention; le facteur
entraînement e étant donné par le suivi des performances sur plusieurs
interventions et n'étant pas estimé par l'opérateur (e=O pour·le premier
essai, puis e=l dès que la performance atteint une asymptote, figure II-6).
L'utilisation d'un tel procédé d'évaluation est simple,
ne perturbe pas l'expérience et permet d'obtenir des valeurs moyennes car
il fait appel à la mémoire de l'opérateur.
L'ippréciation par l'opérateur des facteurs humains qua
lifie cette méthode de subjective.
Elle poss0rle l'avantAge par rapport aux méthodes objecti
ves (EMG, ECG ••• ) de délivrer les facteurs tels qu'ils sont vraiment res
sentis; ainsi, si l'opérateur estime que sa fatigue est grande, on doit . la prendre comme telle, même si une méthode objective indique que ce n'est
pas vrai, car de nombreux facteurs non tous mesurables entrent en jeu.
La difficulté réside dans l'établissement de la grille qui
doit être claire ~t ne p~s préter à confusion, de manière que l'opéret~ur
exprime le facteur considéré et non un autre.
no111bre • d'erreure
n(c J) 1
.r.--------1.--_.. •. o tempe d'intervention t 1
Figure II-6 Evaluation àu facteur entraînement e
(
- 53 -
III.3.b ~~~~~E~~i-~~~-!~~!~~E~-~~~~!
Nous avons réalisé une grille redondante h(I.) (figure ~
II-7a) où chaque attribut relatif à un facteur est associé à une échelle
composée de 6 régions, ce nombre relativement peu élevé étant pris afin
que la grille soit rapidement complétée et que les réponses finales ne
soient pas trop perturbées par celles du début.
Les attributs sont placés de façon aléatoire ainsi que les
sens des échelles.
!NI>O~nl 1 •>< 1 P» ... THT c "'I\I'R"ttrllfT
1ACILrTl
' IX ru~ T-j, TIAY41L llnfJo<lur -· .... ITAT 1 )(1 1 '""~ ...... ""'""
YIF 1 1 1 ){ 1 PIJ ~.T .. T Tl'.CJ
'Tl.\UII. 1 x 1 ''""-• .,..,,.,~,
S•IIW•l~NT 1 ,., .l..l .. , ~ 1 1 TUS
El! CoTi 1 TUS
Xl PH·~ .. T•IIT
•II•FICULll 1 1 1)( 1 .... ,,~ nn ,. .. , .. u AiiCUIIf
rtr<ISioN 1 )<1 1 .. r ... ,~ 4c,lcvwl e ..... n. ' \(Tf~~ 1 1
'-"1\ITI'ltr"T
...... .-1 I'K!. ,...,T
Hll.+tf ,ln \ ·~ r~s 1"- TovT
t'liTt- ' 1 x ,.n'..l FM<~
Tk>l' 1 1 x 1 1 (..,,&.a.q ,AIS .I.T..,T no
fti'«IT 1 ~1 1 c ......
C.t'tfLAT"rftfWT PIIS.Io'GooiT
a nT 1 x 1 1 ~llO Tl ~ .... ,
srui<St 1 ~ 1 1
~ "")e""'" ""'".., 1)( 1 .... c..vs 1r>f•• WT_,.II
........ _Tl 1 1 1 x 1 ,J..., ,...,...,r.t• ,....._ ...
Figure II-7A Exemplair~ rempli de ~rjlle d'Auto-évAluation
h(I.) ~
I~ superposjtion de 1~ rrille H
région est étiquetPe de 0 A 1 rnr r~s de 0,2 ,
un· ensemble de valeurs à r.h<lque f3cteur
Ed = {v~, ... ,v~J E~ = { v~, ... ,v~}
(fieu re
à h( I.) ~
II.7b), où chaq•Je
permet de donner
(figure II-7c).
!NDO"n 1 ) 0 1 o,2. ~ o,'f 1 0,6 1 o,g 1
..., .... !nn.,. F1
h).A.TNT >
"c•url 1 o 1 o,2. ~ D,'f 1 0,6 1 0/61 1 lw,!..,_ J1 .~ ... TIIAYAI L -..s~ •
1 0 1 0,2. i o, '1 1 OJ, 1 D/~ 1 1 -· .. ITAT 1 s~ k'rrQol '"""" .,.,
1 :1 1 o, g ~ oJ, 1
0/1 1 o,l 1
0 1 ç~
fU.A.1NT 0 '1"l'.w'S
'TIAUIL •. J,.. 0
1 0,2.~ o,t., 1
o,61 o,~
1° .ci dl 1
c.<t,ft~ ' Set.llol.fNT 1 0 1 0,~' o,c,
1 o,, 1 o,g 1 1
1 FJ PAS4"'"' \ nt~
l'ICCITl 1 1 1 o, B \ o,& 1 O,'f 1 012 0
St TUS 1 PH~~ •u•l'lcvcri 1 -1 1 o,s \ o,,
1 q~
1 o,~ 1 D ~ .. ~. J3 oi.I,'T~ Tln ~u .. •r o
urcrs••"' ' 0 1 O,l l o,v 1
o,, 1
o,s 1
.., 1 c:l'f ··-Sil .w ...... .. lt~tl.nl
UTI!II'W 1 0 1 o,z. ~ o,'f 1
o,& 1 o,s 1 ..f
1 s_, ... '-"I\ITrllflrT . . PH ~.'T..,T
0 • 0 o,z ;, Hll.ttE
,1"' 1 0/t 1 o, 6 1 o,g 1 "' f"S
1.1. T..,T ~~
,.,..w. 0 o,l :t 0/f o,& 1 o,s 1 F., 1 1 1 1 ... "~' _,
o,z ~1 no.r 1 0 o,c, o,6 o,8 1
-( ds 1 1 1 1 C-'!PU.Q PAIS J.TwT T&E:S
nrc•r 1 0 1
0 2.: o,'t o16 1 O/~ -1 Fs ~ 1 1 1 PloSi~ -· '-"~tNT
IT/tT 1 0 1 o,z. '1 o,'t
1 o,& o,8
1 1
1 ~, 1 tti•TI floll>or.no
STII~i .., o,8ol o,, O,'f o,t 0 ss ' 1 1 1 1 1 ~ ...... lWt'
Tblleol 1 .., o,g o,' o,~ o, z. 1 0 s,
4~ 1 1 1 1 1 ftlwllo• ~~
lw"""cutTl 1 ..,
1 o,S o,, o,'r o, 2. 1 0 J, ..... ...,.,t. ' 1 1 ,J..~ 'TJa .........
\
Fi~ure II-7b Grille-test H
Ed
o 0,2. o, '1 •,6 o,t ..
+ + +
+ -T
+
r-: " o o,1. o.~ o,l o,t .f
+ + +
+ t-+
•• o.z
"r 0 0,1. O,'r 0,, 0,8 <f
+ + t
+ t-t-
r.o,z
Fi~ure II-7c E~tr~ction des valeurs de gk à p~rtir de
h(I.) etH l
- 55 -
a) Discordance locale :
sa recherche permet l'élimination des réponses où l'opé
rateur s'est trompé dans le report
Pour chaque facteur (k=l à 3) n
Pour j=l ,n L k k -( v.
l on calcule D.= i:l ~
J vj
n
Pour j=l,n
si Dj > ~ (seuil de discordance locale)
alors ~ = {v~, ••• ·,-v~}- [v~} la valeur v~ n'est pas considérée (figure II-8a)
J
b) Discordance elobale
elle permet d'émettre un avis sur la validité, le sérieux
des réponses de l'opérateur
Four k=l à 3
si DGk>V (seuil de disccrdëlnce r,lob.3l)
alors Ek non valable (vf.lleurs trop dispersées, fip;ure II-8h)
~) Valeurs attribuées 8UX fDcteurs : l< 1 1. 1 hl ce sont les moyennes m , ca cu ces sur es ense~ . es
V<3lidés
( k k ':
v 1 , ••• ,vnJ
et approchés à la valeur décimale la plus pro6he.
0 0,2. O,'r o,' 0,1 ...
+ +
+ +
ffi +
Figure II-Ba Discon?élnce k locale la valeur v5
ne concorde
p~s avec l'ense~hle restant
o o,l o,\ o,l o,l A
+ +
t-+
t-
+
Figure II-8b Discordance f,lok bale :les valeurs vj sont trop
peu concordantes entre elles
- 56 -
nL EXPERIMENTATION
IV. 1 CONTEXTE
IV.l.a Environnement
Le lieu d'expérimentation est une p1ece isolée permettant
d'obtenir une bonne stabilité des facteurs extérieurs.
Les dispositions de l'ensemble micromanipulateur-plateforme
de simulation et de l'organe èe commande sur la table de travail, ainsi
que la position et hauteur du fauteuil sont réglées par l'intervenant en
début d'opéra~ion; ces Vàriables .sont fi~;ées pendant l'intervention,_ :t'opé
rateur r.ard~nt cependant une.grande liberté de mouvements.
IV.l.b Déroulement des essais
Deux opérateurs OP1
et OP2
, non chirurgiens, non entraînés,
ayant travaillé sur le projet, ont manipulé pendant une seMAine sur les
deux platefor~es T1
et T2
•
Po4t chaque opérateur et pbteforme, les essais sont divi
sés en deux f,roupes
A) Interventions sans micromnninulateur (S1
)
L'instrument chirur~iclJ est manirul~ directement â ln
r~,in; 1"' r~0r.~Drche adopb~e étant: la S'li.v.<~nte
1- Deux interventions non enrer,istrP.es, constituant une phDse de
fa rn ilia ris3 tian.
2- Le relevé des paramètres d'un premier ensemble de trois opé
rations; avec r6cupération entre deux essais, l'op~rate~r ju
geant lorsqu'il es~ pr8t â recommencer.
3- Un délai comportant deux périodes de sommeil (deux jours pen
dant lesquels l'opérateur fait autre chas~), pcrmett~nt ainsi
une assimilation de ce type d'~ctivité.
4- Le relevé des paramètres d'un second ensemble de trois inter
ventions.
- 57 -
B) Interventions avec micromanipulateur (S2 )
Quatre groupes de relevés relatifs aux facteurs-opérateur
sont effectués
Le déroulement de ces essais est le même que précédemment
1- Une intervention de familiarisation.
2- Le relevé des paramètres d'un premier ensemble de trois inter
ventions.
3- Un délai d'assimilation de deux jours.
4- Le relevé des paramètres d'une opération.
b2) Difficulté de travail (d) - - - - - - - - -··-- -L'expérience comprend
1- Une intervention de famili8ris~ti0n ovec la tâche ajoutée.
2- Un repos de dix minutes.
3- Le relevé des param~tres d'une intervention avec la t§che
a joutée.
b:5) !e~sio~ im:go.2_é~ Ea.!: .!_e_c2_n!e~t~ (s)
C~tte étape comprend le relevé d~ 4 interventions (OP1 et
OP2 sur T1 et T2
) lorsque les deux opérateurs ~ont plncés dans une situ
ation de concours o~
• celui qui accomplit la meilleure perfor~ance sur l'AnSPr.thle
des deux t~chcn-type, ~~rnn u~n ~o~mA d'ar~cnt et est
de mnnipulntior.c
celui qui perd ne gaene rien et doit rester pour le dernier
groune de me~ures.
L'ét.<~pe prP.cédnnte s't~·t<Hlt d•~roul~c le r.t"~tin, le !'erdant
manipule sur T1 et T2 toute l'oprês-midi jus~ue tard le noir, san5 qu'au
cune pause soit accordée entre deux essnis.
On effectue alors le relevé den ~ar~mètres de toutes les
interventions.
- 58 -
IV.2 RESULTATS
IV.2.a !~!~!!~~!!~~~-~~~~-~!~!~~~~!E~!~!:~! (S1 )
a) La figure II-9b montre les résultats obtenus relatifs
aux composantes de la performance affectant la tâche (n,t).
Après apprentissage, on remarque que :
- La différence de performance inter-individu est élevée,
l'un des deux opérateurs étant habitué à des travaux fins est plus lent
et fait peu d'erreurs.
Le nombre de fautes commises est ~rand; les deux can
didats s'estimant par ailleurs i_n.ca.pables d'exécuter deux interven tinns
de sui te sans fa ire u·ne seule erreur.! ..
b) Le relevé des facteurs o1')érf.lteur d et s (tableaux II-9a)
pour les seconds groupes de mesures (jour J+2) permet d'établir la per
formance d'intervention manuelle sur chaque plAtefor~e :
T, p .
s1
n 4 erreurs n 10 moy moy
t 180 secondes t eo mo :v
T2 moy
= diff{cul té p = difficulté 0,7 ' s1 moyenne moyenn~
tension moy 0,2 tension mo .v
T1 Op CP 1 2 T2 OP OF 1
1 2
d 0,7 0,7 d o,8 0,9
s 0,2 0,2 s 0' 1~ 0,2
Tnbleaux II-9a Difficulté de l'intervention et tension
ressenties par les opérateurs lor~que e=l
erreurs -
secondes
0,85
0,3
nb !rreure ni
16
14
12
lo
8
6
L•
.~
- 59 -
v v v
• Tl
6 y T.,
c;,
_ .....
y
â<> <> +6
<> • • +•~ \ [] DO •
40 80 120 160 20L
Fi~ure II-9b Interventions pratiquées :
- à la ma in
s,
{ ~, .oP2
cp, OP2
•• •
jour jour J J+Z
c • <> • â • v y ..
temps d'exécution t. (secondof;) ~
- pDr les deux opérAteurs or, et OP2
- sur les plateformes T1 et T2
(variable : entraînement)
(
- 60 -
IV.2.b ~~!~E~~~!!~~~-~~~~-~!~E~~~~!E~!~!~~E (S2)
A) ·Performance du système ...................... Les valeurs relevées (figure II-10<1. et tableaux II-lOb)
permettent d'établir
n 0 erreur n 0 erreur moy moy
T, t 1550 secondes T2
t 750 sec. moy moy p s = 0,6 p s =
2 diff. moyenne 2
diff. moy 0,7
tension moy 0,4 tens moy 0,35
On note ainsi qu'aprè~ appr~ntiss~~e
- Aucun des intervenants ne commet plus de fautes, ce qui
permet d'affirmer qu'avec l'assistance du micromAnipulateur, un op~rateur
peut acco~plir des interventions très délicates, même s'il ne possède pas
une dextérité particulièrement développée.
- Les temps d'intervention avec le micromanipulateur sont
allong~s par raprort aux temps d'exécution à la main.
\e quotier: t temporel qt = tmo/ s2 ) / tmo/ s1 ) est (e 1 1 ordre de 10 pour les deux t&ches.
Comparé avec les résultats obtenus ~ar des t~lémanipula
teurs industriels non assist~s et dotés du même type de com~ande (posi
tion~vitesse), le ré~ultat est meilleur : 10 au lieu de 20 /V2P.T 84/.
On rem~rque par ~illeurs que les di~en~ions deG plate
for~es sont plus ~levées que les dimensions du champ opératoire pour le-' quel a été conçu le micromanipulateur; la similitude n'étant pas conser-
vée, le système s'avère lent. On peut ainsi penser que le quotient tem~o~
rel obtenu sur des zones plus petites est meilleur.
Il peut encore être am~lioré pRr l'utilisation d'un syntaxeur permettant
une comnande position-position sans décomposition d~s mouvements /BETIL 8l•f
et l'utilisation de capteurs de proximité engendrant un retour d'effort
synthétique /ANDH 83/.
- La difficulté de 1 'interver:tion est réduite mais la (
b rreu
i
6
4
2
c
s:
- 61 -
tension ressentie est plus élevée. Cette tendance se rencontrant chaque
fois que l'homme utilise un système de plus en plus complexe (figure II-11)
ne peut être infléchie que par ur.e aide au mental /GAIL 84/, sous forme
de systèmes intelligents aident l'opérateur à prendre des décisions, le
prévenant de dangers •••
s2
{ OP1 Tl
OP2
T2 { OP1
OP2
\
v v
200 4oo 600 80C lCCO 1?.00 1 ~~00
Fi~ure II-10a Intervention~ pratiqu~es :
- avec le micromnnipulateur
- par CP 1 et CP2 -
1 sur T1 et T2
(variable : entrainement)
jour jour
.
J J+2
[J • .. ·-.. -<> • 6 .. v y
temps d'~x~cution ti (second~.:-)
- 62 -
~
Tl oP, OP2 T2 OP1 OP2
d 0,5 0,7 d 0,6 0,8
s 0,4 o,4 s 0,5 0,2
Tableaux II-lOb Difficulté de l'intervention et tension
ressenties par les opérateurs lorsque e=l
difficulté
de travail
tension
imposée
manuel
exécute
assisté Dutomatique type de-travail
command.e surveille
\
Fipure II-11 Tendnnce difficulté/tension en fonction de la
complexité du syst~me utilisé par l'homme
nb "rreu n. ,
10
f
" ~
4
2
- 63 -
B) Robustesse du système H-M .........................
L'effet du surcroit de travail, dû à l'exécution de la
tâche graphique de maintien de cible à l'intérieur d'un champ, se traduit
sur la figure II-12 par une détérioration de la performance. On remarque
cependant que pour l'opérateur qui est habitué à accomplir des travaux
fins, seule une légère élévation du temps d'intervention est obtenue, le
nombre d'erreurs restant nul.
sans avec s.., tâche tâche
r. a joutée a jou téf
{ OP1 • 8 Tl. .
OP2 + ~ 1' rpl .. .8
2 OP
2 y w \
w
200 400 6oo
Figure II-12 Incidence de la t5che ajoutée sur la performnncA
nb erreu s ni
6
4
?.
- 64 -
+ Co~étition entre opérateurs - -------------Les résultats portés figure II-13 montrent des temps
d'intervention allongés mais pas d'erreurs.
-- sans compé-ti ti on
{ oP1 • Tl
~ OP2
{ •• T or
1 .. 2 OP~ y c.
200 400 5oo Boo (l()OO 1200
Fig-ure II-13 Effet produit par une si tu !El t ion de compP.t it ion
avec compé-tition
[!J
~ . 8--
VI
t. ( 5 ~
On observe sur la figure II-14 une léeère eu~m~ntation
du temps d'exécution en début de soirée m~i0 aucune :~ute sur l'ensemble
èe~ 8 interventions.
dP. l'interven-
3 517
600
(
Figure II-14 Influence de la fatigue ~ur la performance
développée par OP1 sur T1 et T2
- 65 -
JZ: CONCLUSION
Après avoir exposé les motifs nous ayant conduit à ef
fectuer des essais sur des plateformes de simulation représentant des
tâches-type, nous avons présenté les résultats obtenus.
Ceux-ci montrent que :
- La présence du système de micro~anipulation per~et ' des
opérateurs non entra1nés à effectuer des t5ches fines, d'en exécuter plu
sieurs à la suite sans commettre d'erreur.
- L'all6ngement observé .. A~i te~rs ri'intervention, à type de
co~mnnde équivalent, est meilleur que pour les manipulateurs in~ustriels
et peut encore &tre réduit.
L~ difficulté d'intervention est rendue moins élevée, au
prix d'une CP.rtaine tension ressentie par l'orérateur.
- Enfin, le système est particuli~rement robuste puisque
l'imposition de facteurs d'intervention défavorables n'entraîne le plus
souvent qu'une lé~~re él~vation du temps d'intervention.
c~~ e~s~is, outre le fait de relever les performances du
système de micromoni~ulation qui donneront lieu ultérieurement i dPS tra-
vaux compldm~ntnires, ont permis l'enrecistre~ent de sifnaux nécessaires
t l'étuJe d'u:-t estimateur de perforrn.;:~ncef> c:ni est dP.velo;::!;'~ dans l~s
c~a?itres ~uiv~nts.
\
- 66 -
m
SYSTEME DE SURVEILLANCE DE
L'OPERATEUR
- 67 -
I INTRODUCTION
dépend en premier lieu de la machine elle-même, qui fournit une perfor--T -mance de base P Sj à laquelle vient s'ajouter une variation ~P(OP ) . dûe
La performance relative à une tâche donnée du système H/M
à l'opérateur. k n l.
Ainsi la connaissance de la machine ne suffit pas à éva
luer la rerform<Jnce du système H/H. Il importe d'é•.c:=~luer en lie-ne M(OPn)i
dans le but de décider de l'évolution à donner à l'intervention. Pour cela,
le choix d'une méthode d'observation de l'op&rateur respectant le~ _co1tra~ntes de travail, permet d'obtenir des indices que l'on es~~ro fid~lement révélateurs de l'état de celui-ci et par conséf!uent de la nerforr1.1.nce ,;•exécution.
Remaroue : rlans la suite, nous ne nous intéressons plus qu'aux cornposan
tef; r.e :rerforr'lélnce sur la tâche et prenons donc · G= { ~)
\
- 68 -
:rr VARIABILITE DE LA PERFORMANCE DE L'OPERATEUR
II.l PRINCIPALES CAUSSS DES VARIATIONS DE PERFORMANCE
La non reproductibilité de la performance du système H/M
provient de
Celui-ci n'est pas un système déterministe de type servo
mécanisme produisant toujours les mêmes effets pour les ~êmes c~uses
(conditions initiales,.contexte .identiquesr. Il rên~it nu contraire de
mn~i~re discontinue en adoptant un c~mportemeni-~ppro~irnatif, son activitô
lors du pilota~e d'un processus étant alors constituée d'une succession
d 'op.§r:1i:ion~ P.lé~Pntélires. Les corrections ensendr"es sur l!)~ co:-:-:n-:ne:::
soni: réalis~eo Jors~ue celui-ci juse le fonctionnenent du nrocessus trop
éloigné de ce qui est d~siré. . De plus, l'op~rateur possède la faculté d'lvoluer et de
s'ada~t0r A lD situetion en chan~eant les paramètres ou le modèle interne
\ II.l .h FReteurs humains
A c0 co~~ortc~cct flou, vient s'ajouter lA fait que l'opé
rRtnur est s~~sjhlc ~ ~e ~o~hreux facteurs : connnis2n~~e 0u s~Rt~~e, ef
fort~~~~ ~Av~]o~~~••• ~~~~ct~nt leA caracités MC~t~l~~, ~rn~itjv~S 0t
•''l!>C1Ù;Jire··-: ~ enn:nr.:r.:~nt 1..1ne forte probélhil.ité fl!! :'"~lli/":Ï.:'r. I:•:>1'f0r··1ance>.
rlu s;:stf'r"'.l'~ H/i'; lor:''1U0 ces facteur:-; sont al tért'?s.
II .2 'PR:>'.V~. IL SUPSP.VISE /LBP!~ 85/
Obtenir un hon fonctionne:···ent du s::r.t~~F: i!or:"'c/t·:<lch:i.ne ir.t
pliquc un co"lrromis dynM'1iquc r.r.tre le::; deux p~rtenE~ircs, cette epproche
imrosnnt ccrcndant à la r.tachine ~·~trc copable d'une ccrtai~~ ~utonomie
d'intervention.
- 69 -
Le compromis peut prendre diverses formes
- L'opérateur n'est autorisé à réaliser que des actions
choisies dans un menu de plus en plus restreint au fur et
à mesure qu'il est de moins en moins efficace; le complé
ment étant exécuté par la machine.
- Modification du coefficient de retour d'efZorts permettant
une adaptation à l'état de l'opérateur •••
mais ne doit pas consister à donner à faire à la machine toutes les tâches
dont elle est capable et à garder pour l'homme uniquement celles qu'elle
ne reut ros acco~plir; car une démotivation de l'opérateur augmente lors
qu'il est·sollicité le risque de mauvaise performance.
La r~nlisation d'un système de ·supervisiori-~u syst~me
Homme/~~chine impose que l'estimation de l'efficacité de l'opérateur soit effectu?e en temrs r~el.
II.3 ME'rHODï::S D' E~-)TH!ATION
II. )a T~rnes de r~levés /tVIER 79/ \ --~-------------
L'étude des différentes ~éthorles d'estimation en temps
réel de l'état de l'opt~rateur permet de les classer en 4 groupes suivant
1~ façon dont elles interfÀrent avec l'activité de l'opérateur :
- t.u to-0vc: luat ion effectuée en 1 i";ne r·ar 1 'opérA te ur .................................................. celui-ci co~munique à la mAchine, par l'inter~~diRire d~
curs~urs, quels sont les félcteur . ., reGsentis (fatigue ... )
- Intéraction avec l'activitP. de l'utilisateur ............................................ • relevé de ln performDnce ~ur une tâche ajout~e
• ~el d'informations néceEsair~s A l'intervention et
mesnre du temps avnnt réclnmotion
- Hesures p!:ysiologiques ...................... l'observation s'effectue directement sur l'opérateur, im
pliquant une léeP.re gêne dQe aux c:'lpteurs.
- 70 -
• rythme cardiaque
• activité musculaire
• activité cérébrale
• conductivité de la peau
• rythme/volume respiratoire •••
- Observation de l'activité de l'opérateur ........................................ les mesures sont effectuées sur l'interface H/M, l'opéra
teur peut ne pas être au courant de l'observation pratiquée •
• temps de communication
cnractéristiques de la voix (ton, hauteur, puissance, débit)
tremblement des mains
• crispation sur l'or~ané de commande
• acc~l~rations engendrées sur les commandes •••
II.3b Choix de la méthode -------------------L'estimateur devant être utilisé de façon opérationnelle,
celui-ci ne doit r~s entra~er l'o~ér~teur, ce qui nous limite à l'observation de l'~ctivit~ de celui-ci. \ .
~ous devons cependant remarquer que
Il n' cxü;te r.t•s clc technique privilép.;iée qui don~e à lél
foi:; lr: nivP.ro~u r!'r:-x-:-•·r·t!.r;·::, d"" "atic;ue, d0 tensinn nerveuse et e~'f'ort d6velo?pé; chA~ue t~pc :io ~esur~ d~terminant â sa ~Anière un ou plusieurs
facteurs. Si l'on d~Aire obtenir un reflet complet de l'opérateur, on
doit alorF; cont>iùérer un r:rand nombre d'indices; or la restriction de me
sures effectuée écarte ~ertnincs sources d'information diminuAnt donc 1~ connaissance de l'opérateur et augmentant l'incertitude des r~sultats.
- On ne reut pAs déterminer avec exnctitude les causes des
variations observées. Ainsi le relevé d'une crispatio~ de l'op~rateur sur
les commandes peut §tre dG b un mDn~ue d'Apprentissage ou à une situ~tion stressante.
(
1 1
1
1
1
- 71 -
JI[ OBSERVATION DE L'OPERATEUR
III.l DISPOSITIF D'OBSERVATION (figure III-1)
La communication entre l'homme et la machine se fais~nt
par l'intermédiaire de la console de commande, on relève la conduite dé
veloppée par l'opérateur sur cet interface afin d'analyser la syntaxe et
le support du langage gestuel de celui-ci.
Les variables enregistrées pendant les interventions sont
les suivantes:
ACT!O~T
N2~TRS
"T"~'!I' "·.·n-:- \·rrrr.;A T'' \; 1 " • • • •• • • • • • • 3Y!3·~;::.·!~ ~1:
~:~. ~: T ;'l.'I ._,. TIC~~
LAT:::UR
Firrure III-1 Acquisition des sir,-naux SP.rv.=Jnt à 1 'étude
de l'estim~teur de perform~nce
III.1a Variables de com~Rnde (fi~urc III-2) ---------------------Sont enreeistrl~es les tensions donnant . .
- les positions de.s deux mAnches de comr1anr.c
. x et y du premier ma r.c he c
. z du second
- 72 -
- l'état (S) de l'inverseur commandant le poignet du micro
manipulateur ou bien le porteur.
y
z
Fi~ure III-2 Variables de com~~nde relevées sun
l'interface H/fvl
I\I.lb ~!~~:~~-~~-~~~~~:~-~~~-~~~~~~~-~~-~~~~~~~~ (E1 et E2 )
Sur l'extrémité de chn~ue ~~nche est placé un capteur don-
nant l'effort de serr~se entre pouce et in~er exerc~ par l'on~rateur.
Chaque capt~ur est constitué p8r (fi~ure III-3a) . t . . 'l 1 . 1 1 1 • t • ' : :~ c o !'. r: u c . eu '" r. n cr: r o o :: e r-: 11 111 u ·J v e o e s 1 c o ..:.. e en re
• drux rlaques conductrices alimentées en tension con
st . .,ntP..
La variation de distance entre les deux plaques provoque
u~e variation de la conductivit6 transversale de l'~l~ment en carbone et
donc une modification de 1.-, tension enrer;istrée /:1UTE 83/.
La caract~ri~tique d'un cArteur est pr6sent~A ~ lA fiGure
IIl-jb; celui-ci ~trynt bruité et rosn~dêtnt un~ inertie dOe i la charre/
décharr,e, les v~lcur~ portées sont celles obtenues après stabilisation.
poesibili té'P de rntAtion
- 73 -
·S
.. . :,_: :~, ... ·.~~-~ .:~a~~...:.~.
Figure III-38 Capteur tactile
tension
( '1)
3 \
0 ·'· C·, P
Procédure (efforts faibles + PlPVP~) :
-cha;~!"!
-·"~"~en+:,:- 5 s - !""'le•.r~ tf'nsio~
- rJ0ch.q r1•e - ::~tte:-:t:~ .?0 s
( s · 1 ; ~.., ~ ,, ~ "' r ~ r· -~;)r:t 0= 1 cm )
1 ,? 1 1 t; .?,4 effort ( ~1
Fi~ure III-3h Cnract~riatique d'un ca~teur
III.l.c Donn6es concernAnt le banc d'essai ----------------------------------Afin rie nerr1ettre l'{·tudc de lr.t s.~'nt.-~xe du lan~ap:c SP. r3r
port.qnt À. la tâche 1 la Vnril'lhle nomhrc dl) fnUb!.') (ri) est é~aler1cnt rele
Vée en parallile avec les si~nAux préc~dents.
- 74 -
III .2- PARANETRES COl'~ SIDERES
Les signaux recueillis, dont une représentation est donnée
figure III-4, permettent d'extraire deux types de paramètres :
1
1 s
0
+
~ ~ x '=="""'"
y t ~ z + 1
V" ~
El 0 ~ '" L ~
E2 1 A / 0
rr \ 0
1 1 P.vénement ( ,ï)
Firru re J II- 1~ ïicrnaux recueillis .sur la console et '.•
la plateforme de simulation
III.2.a Poram~tres svntaxi~ues ------------~---------
La strl3tép;ie de conduite pe•.Jt être mise sous la forme d'une
phrase telle que :
x+ n! - d ,..0-.1 +{x+) , .. o - ry-J' , )U, z , >",.., , ~,x , y- , ~, s , ~,Y , lx- , y-' •..
où 0= aucune expression 5Ur la console. (
- 75 -
Nous cherchons alors le nombre de chaines élémentaires
rencontrées sur :
p
- une période d'intervention constante
- un intervalle de temps donné précédant une faute.
Les recherches portent sur le nombre de :
• actions
ex x+ (une) { xy_+J (deux)
• ~éEl~c~m~n!s_cQn!r~d!c!o!r~s_s~c~e~s!f~ + -ex x ,~,X
• dénl~c~~~n~s_s!n!l~i~e~ ~u~c~s~ifs_a~e~ ~e!o~r_a~ Eo!nl ~e~t~e-+ +
ex X ,~,X
• ~é.rrl~c~n~n~s-~!r·,!l2_i~e.::, ~u~c~s~i.f.s_s~n~ -~e!o~r_a~ Eo_!n! ne~t,re
(d~pl~ce~ents non fr~ncs ries ~nnches)
ex
• actions inutiles sur J.' inverseur - 5c~~ : ~1:c- - - - - - - - -
ex . , JU, ·>
• actions co~binées ------ex
On c~ractéris~ ch~que ection j cxPrc~e sur la consoJ.e par:
A. = [G,P,T,E,t.l ~ .1 - .l
où
position st~ble Atteinte pnr le ~~nchc (=0 si 3)
tel"!pS de 1'1.3 in tien ( :0 f';i ;)
effort tactile ex~rcé sur le cnpteur cor"esponclAnt ( =0 si ;-;)
temps écoul6 entr0 l'nction pr6c~dcnte et celle-ci (Action= d~pla
cement d'un manche ou chéHip:f·Ment r:l'.f.tat deS).
B.emArque: les m:Jnches Ôtllnt identif'lues, on considP.re les paramf>tres
dAnS l'ensemhle ~ans Chercher leur arrArtenance.
- 76 -
III • .} TRAITEHENT DES SIGNAUX RECUEILLIS
Le traitement et la représentation des signaux étant ef
fectués sur un ordinateur SOLAR 16/65, les signaux préalablement enregis
trés sur magnétophone sont dans une première phase numérisés sur I2 bits
et transferrés sur disque.
Le multiplexage-échantillonnage est géré par un sous
ensemble de l'ordinateur, activé par programme; la fréquence d'échantil
lonnage étant fixée après essais i 50 Hz, dans le but d'optimiser le
rapport perte d'informntion tailJe des fichiers
La durée-àe chaque enregistrement étant prise égale à 90
secondes, le traite~ent des fichiers est effectué en procédAnt ·à
un d~coupn~~ compatible ~vec la c~pacité mémoire de l'ordinateur.
III.j.b ~~~!~~5~ (Annexe 2)
·a) Efforts tactiles ................ E E 1 , 2
Les valeurs recueillies étAnt non filtrées et les capteurs
bruités, il est n0.cer.sf!ire rl'ef..rectuer un lis,c;n5'e èes courbes d'efïort
en réalis:~nt un mq~.renn!lr.c liné-aire .. ~ l'intérieur à'uu~ fenêtre centrée \ ~ ) sur la valeur i cnlcuJ0r v (~i~.ure III-5 : ·n
y
1
2n+ 1
• • • • •
,_,..
•
n
+Tl L
i=-n
•
v . .. n +l.
• • • • • • • •
• •
r. • r
~~ y l
•••••••• • • • •
• • •
Fi~ture III-5 J.isnAp;e de::; signllux recueillis
- 77 -
Rema rgues
- Le temps de calcul peut être fortement réduit en posant
Y= (2p+1) ym
et en remarquant que Yn+l = Yn + yn+l+p - yn-p
- p est déterminé par les essais, de telle manière que les courbes
résultantes ne présentent pas d'irrégularités, sans pour autant
que l'information initiale soit complètement diluée.
b) ??f~~~~~??:?.~:!:~ Le relevé automatique de la stratér,ie de conduite de l'opé
rateur ainsi que la déterminBtion des para~ètres str~cturels nous amènent -
à C3l~uler les vitesses et accélérations ries manches.
Une technique de lissa~e linéaire est é~ale~ent retenue
pour sa sinplicité de calcul, le M~~e ~roc~d6 de détermination récursive
perr.~etbnt un calcul rapiùe /RAJi~ 79/
La minimisation par rapport à a et h de llerreur quadra-n n
tique moycnPe p
E = __ 1 - ~ (y . - a • i. Te - b ) 2
n · n+~ n n 2p+ 1 i=-r
entre le ~e~ment d~ droite de pente An et ordonnée bn 8Ssocié à
tre [n-p,n+p] '
permet ti'aboutir à : p
f m b
1 ~ v = = y . .. n n 2p+ 1 i=-r n+~
l 3 p 'Jitesf:ic
.....---i.y . . v = él = L._ • n n n p{p+l )(2p+l )Te i=-p
. n+~
o~ Te : période d'~chantillonnage
le chanr,cment de variables
permettant un calcul récursif
Y= (2p+l) ym
V= p(p+1)(2p+l)Te
3 v
n
y = y + y - y n+l n ·n+l+p n-p
la fenê-
v = v n+ 1 n Y + p( Y 1 + Y ) + Yn-p n n+ +p n-p
- 78 -
Remarque le calcul de l'accélération est mené de la même manière sur
les valeurs V déterminées, mais réalisé seulement lorsqu'un déplacement
est détecté.
III.4 EXTRACTION AUTO~~TIQUE DES PARAMETRES-OPERATEUR
III.4.a Détection d'événement
Dans le suivi des signaux, un événement est déterminé par
La scrutntion de celui-ci se fait selon le principe illus
tré figure III-6. Les éventuels rebonds, rares mais faussant les ré
sultats tant syntaxiques que structurels~ sont rejeté~ en ignorant ce qui
se passe pendant un intervalle~ S après la détection d'une transition.
s
0
sc rut11 t ion----t
nor. ec ~'J t"~ t; t:"~r.
\ ,;v•r.,.m~nt
' ,.
Fi~urc III-6 D~tection de ~h3nfement d'?tat de l'inverseur
h) ·rr~·nr;iti--,n 0.r:tr~~ viter;.->es nulle ct non nulle d'un r~.<;nche ........................................................ Un dor.-Jë=~ine (- ~ 1 + f ) correspondant au seuil d~ vi tesse
minimale engendrable par ln main de l'opérateur en conditions normales,
permet dP. considérer le ~anche au repos tant que la courbe de vitesse ne
sort pas de ce domDine ( figuz·e III-7a).
VIrES~.;;
·H
- r
Figure III-7a t·'anche de comr1 ande au rP-:--or.
t"mps
- 79 -
Lorsque la courbe sort à l'extérieur de ces frontières,
une confirmation de mouvement est à établir car :
- les courbes de vitesse, même après filtrage, conservent
pour des mouvements réels nuls, des valeurs parasites
pouvant dépasser la valeur~
- des couplages non volontaires sur les commandes existent
et engendrent, pour des déplacements de manche pouvant
être considérés nuls, des vitesses supérieures à~.
La confirmation porte sur la position (figure III-7b), la comparaison de
la variation de position du manche aux instants de sortie et entrée de la
courbe des :vitesses dans le domaine(-[ ,+E), avec une valeur6.y, per
mettant de décider sirlrnleme>nt s'il ~ 8 ou non mouver.Jent.-
VITESSE
, 1 t2 t2 t t .. e !1 e
FO~JrJoN j l ! l \ I.\_;
IL~, , 1 2
:r. :r. y ·a
/v 1-'1
1 l<C!v . ~ . . 1 - ;; 1 .•~-v., >LJ.v
r:"' H ~,. ;;. t:,.r. ti ron J;.t,.c~l~':: corr,~ct'
Fi~ure III-7b Confirmation de mouvement d'un mar.che
r~emé'l rque
l'action sur l'inverseur pAut en~endrer des mouvements accidentels sur
les commandes, soit par couplace entre les mnins soit parcequ'une d'elles
vient buter sur un manche. Le refus de prise en compte de ces mouvement3
est réalisé en négligeant les déplacements intervenant dan3 un intervalle
de temps 6T après tout changement d'état de l'inverseur (fi~ure III-7c).
- Bo -, .,·.
ac 1. ion rejetée
Figure III-7c Hejet de ~ouvements accidentels
ITI.If.h :-:clcv0 de.s n<1rar.1ètres -----------~---------
a) AccélérAtions (fir:ure III-Fa) ............. Seuls sont rris en com~te les mouvementa volontAires (ceux
dont le sens s'écarte de l'origine), le paramètre extrait étant la moy
enne des nccél~r0tion ~t freir.ase :
\}. = j ( /r,-~l+lr;;!) .)
L~ recherch~ de
tants de sortie et entr~e t et s
~j rt ~j se fait en d~tectRnt les ins-... S r ,ra
t de lé1" courhe de viter~.c;e cianë. (~ [.), e
permettant le relevé de afin de ra rt;n;e r 1 'in tervall~ [ t , t J en (!eux zones [ t , t ]"r: s ':")
· s e t J ~·onr l'ex~~·:H:l·~on cir-
e s '1"
-· e •
~ma rgue :
la distinction entre une l~c&re pause dans le mouvement de déplacem0nt
d'un manche et deux mouvements bien distincts (fiF,ure III-8b) se fnit
pRr::lmht!"ell U. Lorsque J.n dP.tection d'un second déplacement
le mêm~ sens que le nremier (j) est effectuP.e dans l'intervalle
d•a,rès un
(j+l) dans [ t j t j
e ' e tatien
+6U) l'" t tt; d'J. tj+l .. 1 ' 1nn ~n 0 v est P.n .nee sur . ev une nouvel.(: ;:;cru-e • . 1 e ' e s t e f fe c t u é ,. s u r 1 , n o uv c 1 [ t ·1 + t j +
1 + ô U J •
e e
ssr:
rosnJot•
...........
- 81 -
rnouvem~nt
vol ont•i r·e
B
·------------t j t .l t ·1
Il p ,.
l ,. ~
Fi~ure III-8a Relevé de l'accélération
\ 1 • ~ • \ ••
( •x Xl * ··c ·1 ··1 ··1
1----gr=~----~~-Al'
v ns~s::
Ficure III-8b Distinction entre allures donnant
rJ + + ••• )ll,x ,x .~ ••• ou •.. ~,'!.+,~···
si lx 1 > À
- le
- le
- 82 -
b) Positions stables atteintes par les manches ........................................... On prend x : la position à l'instant
alors P.= x J
sinon on considère que le manche est ramené à sa position
c)
En
temps
temps
stable.
Temps ..... fonction de x
' les
de maintien (T.)
entre é1ctions r ~:. 0 > J
instants tj permettent de déterminer p
(pour lequel on consid~re aussi les
instants tj d'action sur l'inverseur).
d) Efforts tar.tiles ................ Ils sont relevés pour tj lorsque 1 xl>~
e
e) DéplaceMents simultAnés ....................... Le seul narami>tre affecté est.L\ 0
1 que l'on prend ~gal b
~ J + • zéro car on considêre que l'opérateur optimise le temps de réalisation de
deux actions exécutables l'une h la suite dP l'~utre (fi~ure III-9).
\
l
.101,... T
.! J
~! { 7
,1 j. 1
Fi~ure III-9 c~s de d~placements simultanés
- 83 -
E: EXPLOITATION DES DONNEES
L'analyse porte, pour chaque opération, sur un intervalle
de temps de 90 s~condes compté à partir du départ de l'intervention.
IV .1 ANALY.:;E DES DONNEES SYNTAXI0UES
a) Les résultatr. obtenus sur les chaînes élémentaires sont
donnés fiGure III-10.
On remarque qu'aucune tendance n'est décelable, ainsi
- de~ perfor~anccs tr~s d~rftrentes poss~dent des valeurs
tr~s similair~s [a ,e] , [h ,c] ,
- des performances identiques ont des valeurs assez disse~
blables [d ,e]
b) Ia recherche de s6qu~nces car~ctéristiques pr6cédnnt une
faute n'est pas non plus constructive.
c) .QoncluQiQn_:
Dans le C<JS des interventions con3idérées h ~:1rt.:i.r à 1 11nP.
console ~e con~~~de'~eu connJexe, il ap~~rait que lA fr~quence
d • •• • t\. . . d . t 1 t . t t. e scqunnc~s cLunen 81rCR cc con u1 e n cs pns represcn a 1ve
"' • L.. c <'~~<! rJ. o.J.on
~~c lo ner-
formance réalisée.
~
~
Performance
Nb erreurs
17
Tps(s)
810
13 2105
9 528
.6 963. --2 1512
1 801
1 1 1~94 ~ 1 1 c 1988
) Îl 1721 1
0 1418
0 1)1+2
0 828
c 7'53
0 731
0 7?.9
0 55l~
- 84 -
Nombre de Nombre de déplac. déplac.
Nombre de similaires similaires ·Nombre
Nombre déplac. à la suite à la suite d'actions
d'actions contradic. avec retour sans ret. inutiles Nombre à la au point au point sur l'in- d'actions suite neutre neutre verseur combinée.s
20 40 0
1
10 0 10 0 10 0 10 ù 10
Fi~ure III-10 Donn6es syntnxiques
1
\ '· .. ! )
1
~ 1
! ,.
'1
\ l • 1 i 1
- 85 -
IV.2 AfiALYSE DES DONNEES STRUCTURELLES
. . - t a) Le nombre de vecteurs A.= [ G,P,T,E,.1]. recueillis sur
J J l'intervalle d'analyse (une vin6taine) permet 1~ traitement des composantes
par des méthodes statistiques classiques
m = c
\f c =
1
n
n
L j= 1
~
c. J
(c .-m )2 .1 c
n
Les valeurs obtenues (figure III-11) ne permettent p~s
de déga~er des rèeles liant les co~posantes_à la perfor~?.nce. On constate
- seulement d~s tendF1nces- sur certaines C0m""Oo-santes; ainsi"\/ est souvent . . E
faible lorsque la perfor~ance est bonne et lég~rement plus élev~ lorsqu'elle
est méluvaise.
b) Le tr~c~ ~r~u_hique des valeurs C. f~it an"araitre ccr-, . . u
taines particularités très lé~èrement esquissées n'affectant ~~s de l~
mSme m~nière les diverses co~posantes, par ailleurs ces ~articularit6s ne
sont pas corrélées de façon précise avec ln performance.
\
- 86 -
Accélération Position
@ Efforts
(degrés/s2
) (de grés) (volts)
Performance ~G 25
Nb Tps(s) 0 mG
25 0 0 mp
4o 0 o-p
20 0 mE
4 0 'TE 2
erreurs 1 1 1 1 1 1 1 • 1 \ 1
17 810
13 2105
9 528
~ 963 --2 1512
1 1fr')1
1 , 1~94
0 19R8
0 17,? 1
0 1 '~ 1 R
0 1 ) 1 ~2
0 E.2f.
(i 753
0 731
0 729
0 554
Figure III- 11 DonnéeG structurelles
- 87 -
Temps de Temps entre maintien deux actions (secondes) (secondes)
0 mT 4 0
q-T 4 0 m 4 0~ l~
1 1 1 1
(suite)
- 88 -
:SZ: CONCLUSION
L'analyse de différentes méthodes d'évaluation des fac
teurs humains conduit au choix d'une méthode basée sur l'observation du
comportement gestuel de l'opérateur sur l'interface Homme/Machine, ce
choix étant justifié par le fait que la méthode est com~lètement trans
parente pour l'opérateur.
Les données ainsi recueillies sur la console de commande
ont permis d'extra ire deux types de paré!mètres :
- des pa.rarnètr~s syntaxiques (enchaînerr~ënt d 1 actions).
qui ne per~ettenf ras de car~ct~riser la performance
dans le cas considéré;
- des r·élr-:n~r.tres structurels pour ler.'l11"1!" llnP. .si~;'le 'l~'l
l.vse statistique (cé'!lcul de rn et \r) ne rermet pas de
mettre en évidence des relations RVeC la rerformance.
Cependant , il semble qu'une approche du type reconnais
sance de formes rour l'nnalyse des donn~es structurelles autorise l'ex--traction de caract~ristiques sur chaque composante du vecteur A. ; cos \ J
caractéristiques rouvant ensuite itre utilis~es pour l'estimation de la
performance. Cette approche fait l'objet du chapitre suivant.
,,
\
- 89 -
:m::
MODELE D'ESTIMATION DE .
PERFORMANCE
(
- 90 -
I INTRODUCTION
La représentation sous forme d'histogrammes normalisés des
paramètres comportementaux de l'opérateur, notés C. et recueillis sur la J
console, autorise la définition de caractéristiques liées à la performance.
La prise en compte des décisions résultant de l'observation
de chaque C. permet alors de délivrer une estimation d'autant plus cré-J
dible que la cohérence inter-C. est satisfaisante. Par ailleurs, le suivi .1
de ces estimations effectu& en te~~s réel tout au long de l'intervention,
rend possible l'élimination des estimations peu crP.dibles.
Ce ch? pitre présente un système f.e recon:1a i:;s.qr.ce fr d~ux
niveaux d'ap~rentis~a~e permettant d'extraire les param~t~es·lEs ~lus
?ertinent5 rour l'estirotion des ~~rformances.
\
JI RECONNAISSANCE DE STYLES DE CONDUITE
II. 1 STRUCTURE DU DISPOSITIF D~ RECONNAISSA~ICE
Le dispositif de reconnaissance envisagé possède la
structure illustrée fin;ure IV-l.
~:.c i.10in.n f:l~men-
\
c.,
t-IE ?.
Fieure IV-1 Structure du modèle plobal
c r
d r
Cette fif~l.lrC f:"Jit n!'pnr~itrc le~ éléments suivant.';
- La console générant lei': pnramètrcs comporter'lentaux C. , J
!'lÏ.'!~::IU
r)':'l~·:·r~nt::..r-~.'1 -!>
-.
- Des modules élémentaireR de prise de décision
pour entrée Cj et gdnérant une décision d.(~ MEj , chaque HE. ayant
J . J
- 92 -
-Un voteur qui élit la décision finale D. parmi les d. J J
à Dj un coefficient de crédibilité défini en fon~tion
et attribue·
des d .• J
En ce qui concerne les modules de prise de décision, les règles permet
tant de déduire d. de C. sont construites à partir d'un ensemble d'expé-J J
riences,prototype observées lors de la phase d'apprentissage.
Remarque :
On peut affec~P.r à chacune des décisions d. un poids P. selon la confiance J J
que l'on accorde au processus de décision correspondant. Ce poids est dé-
fir.i lors G~ ln rh~ee èe valid~tion.
II.l.a Aunrentissa~e -··--------:....-
C'r. considère un en.scmhle d.' exemples p·rototy-p!)~ E1 con~;ti
tuant l'ense~ble d'n~~rentissaee. Les processus dé d~cision élém~ntaire
as~ocl.-'·s t"! 1J~ C. ~+:.:-;-.t ,...,;~0r(·0 [! nP!rti!" ~c CC3 "'.roto ... ~.":-·0.:-::, ~l i:.-~o!-~0 ..-:~ , -choisir d0s ex;~rl~s Russi re~résentatifs que possible du fonction~emcnt du système lr/~. Ainsi, plus l'ensemble d'apprentissaee est co~~let, plus
le mod~le r(~Yltn~t est r~rformant.
D!=!!:S ces conditions, les rèp;les de décision sont énonc4es
:-nr u·t ohs~r·,.::~t(''.:r h'Jrn0i~l ( ::i.;ure I'l-2) en fonction des o'b.serv.:Jtionc ef-
.rf>C~l·v~s o ér:'s ... r 1 'L ,.. t-'.,. erform"'T'!C"'~ ,..:;,..,,,~ ~--"'-~r.-·.:_ ........ . ~- " r.:. :·.' ~: ..,1: e ré\ra-1"·:-r:rP. '·'- ~ t•f:'., p ,,.., - ... , - ·.-~ "-"· -- -. J
Ct:t':e o;érEJtion nf.cf!s:;itc l',qnnl.'r.se des relevés de r-·ararnr.-tr~:; ct 1<' ct0.f~--
nition de cla~~es d0 nArfor··n~cc.
1
1 \
c \ ~-
Perfor!":'lance
\ \
\ . ~
,__...&._ ........... ,
r •··.• ,,, 0
J
d . . 1
.........
.--
(
Figure IV-2 DP.finition d'un ,rocessus rl~ nr.~i~ion
P.l~mPnt:"tire ME j
- 93 -
Le voteur a quand à lui deux fonctions :
- celle d'agrécer toutes les décisions élémentaires afin de g~né
rer une décision elobale,
- fournir un estimateur èe la qualité de l'agrégation, cet esti
mateur constituant le coefficient de crédibilité que l'on ac
corde à la décision rlobale.
II.l .b Validation ----------
La validation du mod~le ainsi obtenu s'effectue à nartir
d'un nouvel ensemble d'ex~éricnces s2 tel que E2 n E1 = ~ • Son objectif
est alors de classer les diff~rents processus de décision él~mentaires
(ce ~ui revient à c·hoisir parmi les p,:~ r.:~mètres C.) selon .ln con fir.tnce que J
l'o~ r-eut leur accorder.
Pour cela, on envisa~e le rrocessus suivant
c~,.,~'l€' r.~o:-1~1~ d<:- :-;:,"2 "'r;+: '"'l''Îil 11'.1 sis~·cc;:~if d~fini fi!;ure I".'-"1. >)'J!'
chacun d'eux, on obtient u~e d~cisinn rlobale rfsultant de l'aprf~ation
rlCS d~cisions élém'ë'nt:J.ires. :Je nlu~ la cor:tribution de chacune des d1>ci-. . sions .:lém~~ntaires 2.. l<:t d~'·c:\.s:i or. c•l:):,,.,lc est évaluée en définis:3ant ur: in
dice de proximité entre lB décision ~lé~~ntaire et le résultat vrni. Cet
i:.,Hc~ ~:~ ~·rox::~·itf) ;"!r"•et 8.lcrR d'.::lttrihuc!" o chacune rles d0cir·;_0r.; 1·1!:-
] I • 1 • c r·-' o <F 1 P. rl.H i n i ti f ----------------Il ~;.st s:ir·~le·-0:-:t ohtenu <:::!1 re-:--renant le ~orir·lP. in:i.t:i."'l
roi'3n ?. .1
. " cc~!'"';·•··~ ·nr; ·::J r. ...
L 1 . = 1 • ,
- 94 -
II-2 HODULE DE TRA ITEHENT .
Il extrait de la masse de données pr~lev~es sur la console,
un nombre restreint de pnramètres pertinents sur lesquels s'effectue la
décision • Il est divisé en deux niveaux (figure IV-3)
\
signa 11x
temporèls
Firure IV-~ Troitement des siffnaux issus de la
cor.sole èe commande
1I.2.a ~r~ite~ent des sirnaux temporels nr~lev~s -----------------~--------~--------------
Four ch<~(!U~ intervalle considér•.: I. , un ensemhle E. rlc ~ ~
ni VectPurs A. = [G,:t-·,T,:::,6] ~ est obtenu, cha11ue vecteur c:orre~pondant ' J J a la détection d'un ~v~ne~ent et caractérisant la structure du si~nRl
ohservé A c~ t l' (f' IV-4) - mc~en a ~gure •
La quélntité de données ainsi prélevée(. étant importAnte
~
- 95 -
une compression doit être effectuée sans qu'il y ait destruction de
l'information utile.
:i r ' détections
/··1··\ 1 1 1 1
1
J ·-~ te m'l"·"~
.. i
A1[] A{] ~i[ l
Fi,rur(• IV-If Tr"1it~~ent ries s:Lr;n€\u~ 11rélevés
lI .2. h Re -:-JrF-scn tv ti on èe l'information --~----------------------------
\ Il ex:iste r:~11x t:.';~:=; c:l'i.nfop:ations, suivant qt:e:
- les donn~es ont une siGnification temporelle et peuvent être
mises Gous forr.e de courbes (il existe un ordre d'antériorit0/
;:os té rio ri tn),
]~ t~..,p~:, seul~!.S lr::-; élf'Tlr'litudes .:•tn::t prises en comrt~.
~ns le second cas,ln com~re~sion de ctonn&es est effectu&e cr utilisAnt
lA techn:ique rl'histor::ram~es qui est rlus efficiente que les CéllCill.S d~
~nyenne Pt ~·~~"rt-typ~.
a) Histo~rammes bruts .................. lorsque ~. parcourt E. ·
J ' a ).
C>
L'affect~tion des VAleurs C. ,
des domaines d'8mplitude pr6étnblis conduii à des histoerammes dont l'aire (
-est fonction de l'intervalle d'observation I. (figure IV-5a). l.
b) Histoerammes normalisés ..... • ................. . Les cArdin8UX des ensembles E. n'étant pas toujours les
l.
mêmes.il est nécessairede normaliser les histogrammes bruts afin de pou-
voir les comparer, ce qui am~ne à la définition d'histogrammes relatifs
(fie-ure IV-4b).
c) Histogrammes quantifiés ....................... ~fin fe Ai~rlifier les formes rencontrées, on adopte enfin
un seuillag~ à plusieurs niveaux per~ettant au module de traitement de -
d~livrer le~ informAtions utilisées par l'interpr6teur.
~ c
i
\
• •
• • • •
?j '~'1J r···. ] ·.r- -~
a) hru t
b) nnrr'1ali:>é
c) quantifié
• •
h ., (\-:)
-;
4
• • }
?.
, ? '
.. j { ()()
')
,,
r.,l 0,.? C',~
·')
1-)
c)
- 97.-
Ces trois étapes conduisent au développement suivant :
h~k) la valeur de la kème raie de l'histoeromme relatif au paramètre Cj
nj le nombre de valeurs considérées prises par le paramètre Cj dans l'in
tervalle I. , ~
h%~k) la valeur de la kème raie de l'histoF,ramme normalisé correspondant
Hik) la valeur de la kê~e r~ie de l'histo~ramme quantifié •
Dans ces ;
h(l()
~n. I. .J ~
conditions on obtient :
et
Les V?l0urs H~k) sont.d~finies sur un enseMble fini et disc~ct de valeur~ co~nri~cs entre 0 ~t 1, ceci dens un soucis de simplificatioh des 6tape~
ult•~:-ic•lres. Ln rroc1:'rlu:--e de cli1'>cr,;tü;:.,tion e:;t définie comr1e suit:
1 1 1 , h<''. 1 t , .. = n. K + res e
~ 0 u
\ C!1 :;.--rt":"':C l'interv~·llc
1 V"lleur K et on affect~ A.
l<t V-"'leur (
h% ) 1/K
'··" ~ ·:' · ... , '··"!·:':r~··· .. ·::"':· ·'::!; l-':1 lf:J.;cllr l< c:nnstil:uent cl~s par2m?>tr~s 'le ;,=>n
r:ih:i.lit/· (nfinis r•3r é!'!)')"'rentir;snre.
- 98 -
II. 3 PREMIER CYCLE D'APPRENTISSAGE
II.3.a Interprétation --------------L'apprentissaee peut être mené /H!VE 84/:
de maniP.re automatique
- avec 'professeur'
Dans le premier cas, un aleorithme permettant de déterminer le nombre de
classes ~xistant dans la base d'apprentissa~e ainsi que de partitionner la
base sur ces classes est nécessaire. L'a?prentissage ainsi mené est ob
jectif et bien adapté lorsque ls base est composée d'une multitude d'ex
emples.
D."~nP. notre cé!s, la bnse ne comprenAnt p<3s 'un nombre trAs
élevé d'px~~~l0s, ]oF rl~cisions élé~entaires _résultant de l'oh6~rv~tio~
d.e~ !Jflr,,..,~tr.--s r,. s0rf-: f,.,q-:-n:i.es N"lr un observnteür humain • . 1
L'inconv~nient en est la subjectivité, cependant s'arrissDnt
sur dcc bases ph~siolo~iques, donnant ainsi une certaine validAtion au~
règles extraites. ~n plus, la pr~sence de l'homme ainsi que sa sou~les~e . d'interpr~tation v~~ue]le ~Pr~ett~nt de délivrer deu rôgles à ~nrtir rlo
quelques tendances seulement et ainsi de pallier à un manque de re~résen
tëltiv:i.t.:. r::~ 1.; 'b."'i:'f: c! 1 ~-:-:'"'f'r.tiss~l:.-:~; 1~ vnlidité des rè2:les ain~i Ô<~ch~.'.:e•;
r.. f"lrt:ir ,:P. 0t\-1.r:uc.s cAs ~·~·1Je:-1ent "'st
Vflli..::.:::t::o: .•
n.·~·.h r~rtict:l!:lrités
alors t~pe de performance
dPfi:1ie~ pour chaqu0 I''lr,.,~,~trc C., constituent .'Jlors j mod€:les rt.<>tfri.<:~li.J
snnt les liens entre rorticul.,rit6n et performnnces.
IJ.3.c Clesse~ de pcrforrnDncc ----------------------
Le nomhre d0 classes de perfor~ance est choisi arbitrnirement. En principe deux eranden classes
(
- 99 -
bon 1 mauvais
correspondant à
aucune faute 1 f~ute(s). Un découpage plus fin admettant six classes est réalisé:
très bon, bon, assez bon 1 assez mauvais, mauvais, très mauvais •
La liaison entre ces classes et les performances sur la tâche (nombre
d'erreurs et temps d'intervention) est laissée à l'appréciation de l'ob
servateur qui choisit ainsi la rigueur d'évaluation du système. On réserve
cependant 'bon' pour les interventions s~ns f~ute, le qualificatif étant
donné p.;r le ter"!r-·s et ' :'fl.::~uvf!is' pour les opérations avec faute(s), le
qualificatif ~tant fonction du nombre de fnutes.
tâch~> nl:> erreurs ter:r.s a pr.réc ia t ion -- ···--··- --·
T, 0 1 )0(' TB
1' 1 0 21 ·:JO f..B
T, , ' 1 :,(J(' TN
T2 c <)00 Ai3
·r 0 5ù0 TB 2
\ II.3.d Evr-othèsc simrlificatrice
-~-----------------------
Le nomhre rclotivcment fnihl0 d'exemples constituant 1~
base d'a~prentisna~e impose de considérer l'hypoth~se qu'à chaque nivenu
rie performgnce (cl8nsc) est li~e une forf"!g ~lobnle de conduite et une seule.
Co~-e la fo~Me rlohale d~ ln conduj.te est constitu~e ~e
~0 ~··· ,.. ' 1 • • 1 ( • • • ~ ' J. ~ · ~-~:·· tt·'.,,,,.,,, .. ,,~,,,.. ~r,..,...l,.,..~t' O'' e ·"o-. ... ~.. 1 •••• - ... • . • . • .... \. . . . .. 1 1. ~. ' . ' • '" ~ • • • , nous pouvons pen:;cr que
lo rencontre J'un~ !or~c ~lohAle non r~pcrtori6e a pour effet le plus pro
bable ri'nu~~enter la ~iscordance entre forrnes éJ~mentaires , cntrain~nt un~ suspension da d6cision, plutSt qu'une variation daris le m~mn sen~ de
toutes les formes individuelles amenant alors une erreur d'interprétation
r~r m~nque rie conn~issances.
Cette hy~oth~s~ 9 rour hut de Rim~lifier la tiche de l'ob
servateur, sa non exi~tence cxicennt une prnc6dure de classification autom::Jtique.
- lOO -
II .4 MODELE PRELHHNA IRE
II.4.a Modèles êlémentaires --------------------Chaque modèle élémentaire correspondant à un paramètre c.
J ~tant composé de six classes, l'observateur doit définir autant de règles
de décision que de classes de performance.
Exemnle :
Su?posons que la tendAnce d'un paramètre par rapport à la performance
s'exprime ~ar les deux observations : ci histo~ramme plat alors perfo,rmance plutôt mauvaise
histop:rélmme T'loin tu alors !'erformélnce ·plutôt bonne .::a
il faut alors exprimer six rh~les en chiffrant les pr~misses :
1 R· ;
1
R.i 2
; R· ,.
0
si
s:i.
si \
p:tc
--·
~:i;: t o ·-; r:' ~,:-:\e = 0,6
--- = 0,5
= o, 1
nlor~;
<!lors
nlors
'l'B
B
T" li
L'ensemble d~s r~rlcs de ddcision constiiue alors un filtre élémentaire
au tr~vers duquel r~Asent ensuite les par8m~tres C des exemples opér~-j
tionnels (figure TV-~).
~ (k)
~!E . • 1
:>],.., r_,
('! lo r·s
si ~lorr;
Figure IV-6 MociP.le élémentaire
dr~c ision élémentnir?'
- 101 -
la réalisation d'un mod~le élémentaire sous forme d'en
semble de règles en parallèle portant sur des formes d'histogrammes quanti
fiés est un moyen simple d'exprimer les particularités rencontrées.
II.4.b Modèle global -------------Chaque modèle élémentaire fournit une opinion. qui n'est pas
toujours le reflet exact de la performance réelle. Cependant l'ensemble
des opinions P.mises permet de dégager une tendance gé.nérale dont la crédi
bilité est donnée par l'homogénéité des opinions individuelles. Si les
opinion~ sor.t toutes très ressembl~ntes, ~er. ch~nccs que la perfor~ance
estim6e soit t.rès proche de la performance réelle sont grandes • Si par
contz:e, il y a beaucoup de discordance entre opinions éléme_ntaires
aucune conclusion n'est alors sûre quant à la décision finale •
Le choix -du type d'agrétçation des ,:~~~~'~"!"'~ é-lémentaires,
- ·lu c:ri f·.<-c-::- àe crédibilité,
est effectué n partir des exemples de la base et constitue le second ni-
Lors de ce nre~ier c~cJe d'n~~rent.ir.snce
lï'l r.~P.thcdP. ô 1n;·r6catjor: n~tt'!1UC consjste en une mo.venne
:'!~s o~inion,c; A.l;.,.,,:·nt,ircs !""-<::C-"nte~ ~T~r"-.s él:!.,:!ir~'·t:'o~ dos deux opinions extrêm-::~;,
- la cr~dihilité de l'esti~ation effectufe pour l'intervalle
Ii est do!'!'!"'ée ':"';;r 1::1 c'listFJr.cc e:1trc lf'~ rin11x t:~~injonf; c:-~trêrr,es restanter:;,
cel~e-ci rr~nbnt un d~n troin 1 t~t.~ A • sur
r/sul ta t . assez nûr
• â n9 rns conrjd6rer.
i~cmarnue :
l''~ sréc:a t ion des or.inion:::; irtdi viduelles, 1 '{·1 imi n<' ti on de.<> ex trêr~er;, 1~ fni t que rlusiellrf; mod0.le::; rJifféorr:nts exr:r.ir'lr:nt lo mêr;e tendance rour ent"'r.>n. ,,_ nrer unr: honne cr~dihilit~, constituent une succession de filtres rc-
t<Jrdant 1 'estimatior. finale cle ln perform<Jnce, de r;~:1nir're à ce que seule 1 '; n ~ ·
-· .ormot1on de bA~r qui se d6~aee du comportement Goit conserv~e. En effet, ch;;~que Modèle élémentaire n'~st pDs fiahle ù lOC~~ sur la Ktse d'ap t· pren 1ssage, celle-ci n'~tant qu'un ~chantillon de comportements.
- 102 -
II.5 VALIDATION
Dans cette phase, l'interpréteur constitué par les modè
les élémentaires et les règles de combinaison des informations individu
elles, est alimenté par des exemples significatifs n'ayant pas servi à
sa constitution; les résult8ts des estimations effectu4es permettant
alors de chiffrer
a) Deux grandeurs caractérisant le système global : .............................................. - la_p~o~a~i!ilé_d~ fa~s~e_a!a~M~ ~ détection d'une mDuvaise
performance avec un fort coefficient de créaihilité alors que
1~ performance réelle est bonne; pour cela des exemples rela
tifs à une bonne ncrformance sont présentés au système, - .
- -!a_r_!o_2a.2_i!i!(~-d~ E_O_!! ~é!e~ t~oE_ ..9_' ~n~ !!!~~v~i~e_p~rfo.!r.12_n~e_:_.···
le test s0 fait alors sur des cxe~~les d'interventions peu
b) L'utilité de chaque noàèle élémentnire : ...................................... le ~od~le él~ment~ire corrcs~ondant au par~~~tre C.
J le nombre d'6chanti1Jocs consid6rés dans la base de vali-
rla t ion E<
n - r. rf. e 1 J.e de l' P.ch3ntillor. i (i:i ,!0 J. .
\ , ·n·· •e.
l ln rerformnncc CRti~éa ~ar J.e ~O~~le él~mentaire C.
J
(
]..;1 rerfor:"<1!1Ce ét::'lnt tr:H1uito par p€E j
~= {1 ,?,j,4,5,6J d~ns le ens consid~ré,
1 n vec n L 1 ~ ) 4 5 rS 1 •
\\ ·· 1 ..., ... ·)·~~~~:..r~-.-~;-I· t'~ ... • -
IIn' : dist;;Jnc~ entre pcrfornélnces extrêmes (ici: 5)
prenons :
utilité du modèle élé~ontPlire 1tlj = u0.1Lj)
=C
i'T
L / i'r. -~~.1 ~ ~ ) i= 1
i --;- r:r·r . t;
L.
Si Ün modèle él•~T!lent;1ire R une utilité u(NEj)~o, sa par
ticipation est nulle pour l'estimation de la qualité du travail (il ne
(
- 103 -
-donne aucune information). Si par contre u(M~)~l, il est alors à priori
très sûr pour évaluer 1~ performAnce et suffit presque à lui tout seul.
S'il est néeatif, il donne de l'information mais elle est erronée (dans
le mauvais sens).
Remargue
la recherche de l'utilité des sous-modèles permet è~ cré6r une boucle
permettant d'affiner le systhme de surveillance de l'opérateur par af-
fecta~ion de poids à chAque décision élémentaire, selon l'utilité du
raramP.tre correspond~nt.
II.6 ~ZCOfD GYCL~ D'APFR~NTIZSAG~
Si le~ probabilités relevées
- de f~usse alarme
~u Modèle préliminaire ne conviennent pas, un second nodhle est créé en ne
retenant que les p~raMPtrcs efficaces; l'élimin~tion des ~ar~~ètres ayant
un~ f~ibl0 utilité sc
mentaires restants.
!ni~nnt s~ns morlific~tion des modèles élé-
Un~ rer:?finition cle 1 'ar;rér,ntion et {;li critère de crédibi-
lité est n' ... · · · ece~~a~re, a1ns1 \ - to~1tcc les O!!inions élément;•ires sont pri.ses en com.pte
pour 1~ délivrance de l'estimatio~ ~e perfor~nnce, les
parDm~tre~ étant jugés suffisam~ent snrs,
ln cré~ihilit4 n'n.st ~lus ~onn~" eue sous deux formes
n~ .s 111 h ~ 1 .· c r•; ll i 1J le
~n s c rç.)clihle
L'efficncit~ de ce mod~le finnl est enfin teGtée sur un
dernier ensemble d'~ch~ntillon~ T" ~7.
,'
- 104 -
.II.7 SUIVI DES ESTHtATIONS
-L'estimation fournie par le modèle final sur un inter-
valle d'analyse I. pouvant être erronée, un suivi temporel des opinions ~
émises doit être effectué afin d'éliminer les fausses détections. Ce sys-
tème de suivi constitue un dernier niveau de filtrage retardant la déci
sion pour lui donner davantage de fiabilité (figure IV-7).
1
~ I. ~-s
estimation e
crédibilité
i-e
c i-s
estima ti on de la performAnce E
i
I i
1
e.
~ ~
c. l.
Fip-ure IV-7 Suivj tem!'orel n€'s P.GtiMF~tiono: d~~livr4es sur
chac:uo intervnlle c1'analyse
[>
- 105 -
TII APPLICATION_AUX _DONNEES. RECUEILLIES .
III.l INTERPRETATION DES HISTOGRAHHES
L'ensemble d'apprentissa~e est constituéeode 8 exemples
correspondant à des entraînements et difficultés de travail différents
(tableau IV-8), ces deux facteurs étant ceux qui affectent le plus la
performance.
opérateur pla te forme conditions c16sitçnation performance appréciation opératoires nb err • temps
0
de 01 1 ohs .-
• 0
OP2 T2 entraîne-
A, 17 810 TH ment = 0
cr2 T,
tâche A') 2 , 512 M ajoutée <:.
op, Tl e~ 0,5 A~ 1 , 801 N ;;
OP2 Tl e ~0,5 A4 1 1 494. Al-!
r---- - - tach-e - - - - -CP1 T1 A5 0 1988 AB a joutée OP
1 T2 e= 0 A6 0 753 B
OP \ A 0 731 B .
T2 e= 1 2 7 OP
1 T2 e= 1 AB 0 729 B
Tableau IV-8 Ensemble ô 1 -<l;~rr:;ntisS:'l";P.
On relève ainsi les p8rticul8rités ~ur les p~ram~tres C j
III.l.~ Accélération
La rèe;le générale .se d~rluit de l'annexe )-(1 :
~ des accélérations élcv·~es sont relevées aJ.or.s mauvaise performé\ncc.
Cela revient à énoncer qu'un opérnteur est d'aut.::~nt plus
efficace qu'il adopte un rythme de croi.si~re amenant une dépense œuscu-
~aire faible; le relevé d',."'ccél~rations forte:s et irrér;ulif-res (plaee plus
ar~e) montrant que celui-ci ne controle p~s bien ln situation.
- 106 -
III.l .b !~~E~-~~-~~~~~~~~
La règle générale se déduit du tableau de l'annexe 3-b et s'énonce :
.§.:!:. des temps de maintien élevés sont relevé1> alors bonne performance.
Cela revient à constater que l'opérateur bien au point,
ayant une bonne connaissance du micromanipulateur et de la plateforme, en
gendre des déplacements significatifs, alors qu'il a plut5t .tendance à agir
par tentatives successives lorsqu'il n'est pas très sûr de lui.
Rerr.a rgue :
L'ajout d'une tiche à exécuter en parall~le engendre une diminution des
temps de maintien maxi releyés.
La rèr,le extraite d0 l'~nnexe 3-c est :
~aucun délai important n'est relevé alors bonne perfor~ance.
On peut penser que ce paramètre traduit la réflexion de
l'opérateur : si la tâche demande èe longs délais de réflexion sur la straté
gie de com·rrande, c'est qu'elle est complexe ou que l'opérateur n'!=:st pas
familiarisé avec le système, situations amenant une forte probabilité d'er-reurs. \
\'
III.l.d Efforts sur les com~andes -------------------------Rè~le (annexe 3-d) :
ii ]es efforts m~ximaux développés sur les comM6ndes sont faibles
alors bonne performance.
Ce paramètre est surtout sensihle au nive~u d'entraînement.
Il im~ortc ce?endant de considérer que :
- des situations stressantes peuvent élever l'effort de
serra~e sans en~endrer une haissc de perfor~nnce,
-la fatir;ue fRit. clécroitre la crisp<3tion sur les comrvtnrlf!f>,
alors que le risque de mauv~ice performance auzmente.
Le param~tre effort fait dnnc n~parAitre une certaine ambiguit~ si l'on ne cannait rien sur l' · t opero eur.
(
- 107 -
III.l.e ~~~!~!~~~-~~~~!~~~~-E~~-!~~-~~~~~~~
Aucune rèF,le ne peut être extraite concernant ce paramètre
(annexe 3-b), il n'est donc pas considéré pour le modèle préliminaire.
III.2 VALIDATION
III.2.a Résultats ---------L'8pplication des règles extraites aux éch~ntillons de la
base de valiàntion (tableau IV-9) , permet d'obtenir les résultats re
portés dans le tableau IV-10 (annexe 4) :
- une fa usse. alarme est" dé li v rée y>our V 6 . . - pas de non d6tection de m3uvais0 rerforM~nce
- cr~dihilit~ de l'ensemble des ~sti~atinns de l'ordre de 0,5.
opérntcur platefor:r.e conditions désis;nation
perforMance D ~;:>rée ia t ior. o:::~ r . ...._ toires nh err. t~:':'!!;S de l'obs.
. C:ï?. T , e= 0 v, 1) 2105 ·r~·i
OP2 T e~0,5 v2 9 528 Ti·1 ?
t8ct:e v3
;" ?6) 'fi·i cr.., ·r2 t)
c.
' n,ioutée - - - - - - - - -
or T, e= ,
1 v4 0 1721 AB
OF 1'2 t5c!w
v5 c fz2. f,B 1 FI joutée
c~~ 'J' e- 0 V~" () 1 ~~ 1 f. n ' , -1 0
c;-? 1 ~ ' 1 v (o 1 . ' ., i'J '1 e=
7 ..;'-;,;..
"-
or, ~-, T.? e~ 0,5 v8 0 551
• ·ra
Tnblenu IV-9 BDse de VDlidation
- 108 -
eG eT e~ eE estimation crédibilité
v, TM 5 4 2 5 M/AH 0,5
v2 TM 4 4 4 5 M1 1
v3 TH 4 3 5 5 N/AN 0,5 1---- - - - - - - -
vl~ AB 4 1 3 1 B 0
v5 AB 3 3 4 1 AB 1
v6 B l~ 2 4 5 @ 1
v TB 5 4 2 2 AB 0 7_ .. .. v8 TB 1 2 1 5
. ~· ~ B/T3 0,5
Noun trouvons :
\ r<tr:"Jrr.0tr~ utilitP.
tern!JS entre deux ::~etions o,45 ~cc01,;r.<! tien::; 0, '+
tem·ps de mn in tien 0,35
'\ : ... :- r' r ~ ~ 0 ':>-,·.)
Ce~endant ces résultats ne sont à pr~~~re qu'~ titre in
~icntif, l'essai sur un nombre plus gr~nd d'échantillons relatifs à
d'autres fncteurs (fati~uc ••• ) ét3nt n~cessaire pour ln s~lection des
pnram~tres optiMAux.
- 109 -
. liL CONCLUSION
I,' analyse des histogrammes associés aux données comporte
mentales recueillies sur la console permet à un observateur d'extraire
des relations forme d 1 histogramme+-+ performance et d'en déduire des
r~gles de d~cision permettant de batir des modèles élémentaires ME. , J
l'ensemble des décisions élémentaires fournies par les ME. étant ensuite J
agréeé de façon à délivrer une estimation de performance pondérée d'un
coefficient de crédibilité, sur l'intervalle analysé.
Nous montrons que pour 1~ plupart des nara~~treR consid~r~s,
l'élémP.nt détermina.nt est la.largeur de la ba~d~ 2.. l'~.:.téd.et;r <ie l:>nuelJ.e
n'inscrivent le::; valeurs du pAr<~mètre. Le relevé r.e~ v·~lP.u:r~;.r.;:txil"l<\les
recu~ilJ.ies dans l'intervall~ d'analyse rempl~ce alo~~ 1v~ntarcusement le
Ci'llcu1_ ,:'}d.stoj.rélm!~es. J'ar ailleurs l'extraction des T'élr8171ètres COmporte
mer:tau:< demande peu de calcul~ ct J,.a créatior: ,;•un s~··;tèmc c;•estir:-:CJtion
de performance assez simple est alors envisa~eélble.
L'.! méthode ainsi développée, a~r<.1nt rcrn:i.s l.<! cr6:1ti::>n d'un
mod~le v~lid~ sur quelques exe~ples, peut alors ~tre utilis~e ~our la cré
Ption d'un e.~ ... ~-on-oiJérr.: teur hé!s~, non plus sur u:10 cnnGole d6cou~.J.:"!nt les
mouvemantR ~ois sur un syntaxe~r associant les six de:r~s de libert~ et
devAnt ~quiper le ~icro~Anipulateur pour des ~tilisations particulières.
- llO-
CONCLUSION
\
- 111 -
Le travail présenté a pour but de permettre la réalisation
de tâches de micromanipulation avec des performances accrues.
L'effort est ax~ sur deux points
- l'aide à l'exécution,
- la surveillance de l'opérateur.
Il ~st en effet constaté que pour des tâches de microchirureie, la préci
sion obtenue actuellement est limitée par la main de l'opérateur, la réa
lisation d'interventions avec une précision accrue devant oblieatoirement
faire appel à nes systèmes mécaniques. D'autre part, la qualité de l'inter-vent ion est trP.s dépend~,nte de l'opérateur qui commande le système et que l'on doit donc surveiller afin de prévenir une mauvaise intervention.
Dôns une première partie, nous avons décrit un .:.:v::.;tP.ne de
micromanipulation ~~ré par calculateur, le couplaGe oi~si r~~ljsê ouvrant
ainsi qu'~ la réalisation de s:vstènes intelligents. Une attention particuli~re
a ét~ rortée A l'as~ect A~curit~ pRDsive et active, notaMment rRr , . .J..·~ r·~-?t-
lis~tion ~'un R~~t~~c de rctr3it de l'instrument en cas d'ono~R]ie. L'en
semble ~e l'~ppareil a été conçu sous une forme ouverte, permettant ainsi
l'utilisation J,ns ~es d0~aines divers et l'ajout d'enne~hles fonctionnels.
L'cf!ïcacité rJu système est rr.ontrP."' .c;qr h.<>nc ~'~r.s:=>i.•:, ~0~ 'i
lltili.seti0.n rer~ctt:Flr.t F. un opérBteur d'effectuer des intervention!> t:r~~s
fin~s S3n~ commettre de faute et ce m9lgré des conditions de contexte d~
félvor:Jbles. i:ous oo.servons un nl}onre~ent du temr.s de J 1 in+:0r'l~:-.l:i0n 1 'jt:i
reut être rf:duit né!r l'utilisation n'un :i_nterf-"'ce H/r·~ n0t;1r0l et l''lirle
outre ~ue ln variDtion d~ la qualité d'interv~ntion est surto~t ~Qn A ries
~~cteurs affect~nt l'on~reteur, engendrnnt ~insi 1~ he~oin ~'un synt~~e de surveill~nce, d~v~lor~6 dDns la seconde pArtie.
Celui-ci est r~Rlisê à p3 rtir d~ 1 '~ nëtl,vse du co!n!'lor-
te"':ent de l'opérr-tteur nur les cor.mnndes, ce C'JUi a rour .:)v.nntnr:':! d'.! n'il!l
porter aucune :":êne. L<1 mise sous forr!'c d' histo~rDr"r:e~ def; v;:, leurs r"1lev~es
sur 1' int~rf."lcc
téristiques de la r!e commnnde -perf':let
per!ormnnce d~vcloppJe;
de d~termincr düs trnits c~r~c-
chaque pn r~rr.?: tre (ac :~l~rA tion
enr,endrée sur les manches, te~ps entrn de.ux c~ct1'or.s, efrort~ l'~ · - " "' • ·> r; ''~r~:r!'ement ••• )
- l 12 -
donnant une estimation élémentaire qui est ensuite agrégée avec les
autres, de manière à délivrer une estimation pondérée. L'étude d'échantil
lons de comportement ayant permis de déterminer que les éléments repré
sentatifs de la performance sont les largeurs des bandes à l'intérieur
desquelles se trouvent les valeurs des paramètres de comportemement, l'ap
plication de la méthode à un interface H/M de type syntaxeur est envisagée.
Pour conclure, on doit préciser que le travail présenté
constitue une base pour la micromanipulation et que de nombreuses études
restent encore à mener afin de faire du système un partenaire pour l'humain,
sie;nalons :
- la commande par la voix de certaines fonctions,
- l'automatisation de sou~-tâches,
- la réalisation d'un s:rstème de supervi:.üon T-Jer~ettant une
s.v:nbiose H/N,
- l'assevissement sur des zones opératoires ~ohiles,
- le travail en coopération avec d'autres hras •••
\
- 113 -
ANNEXES
\
- 114 -
ANNEXE 1
Dans cette partie, nous montrons la simplicité de programmation introduite par le langage Transforth.
Le module CONSOLE qui assure la gestion du micromanipula
teur et de la plateforme n'essais est donné par
CONSOLE
1
1 1 1 ~1 Gestion Gestion
Arrêt du Initialisation manipulateur manipulateur -et pla te forme seul systè~e
~a d~finition en f'orth est
et repose sur les modules r::rT 1 G;·IP, Gi·i, FI qui ont été définis précédem
ment (jls eYistent dAns le di.ctionnairr).
\ ;:ous avon~ é:li:n:i
- le r•:odul e r::rr E:Ir
1 · I ; . 2: i · J : L' . 1·'C
r;T-:'. vr,~ r;:rr. CF'!' l!Tr. :::r<~<
- le r.toclulE> G!i'P
rH:·:~·r
X BQ. 1 = U~I'l'IL
...
- 115-
Dans lesquels CHRGT.ASS, INIT.CAN, RZC ••• sont eux-mêmes prédéfinis et
réalisent le chargement d'une zone mémoire à partir d'une disquette, l'ini
tialisation de la carte de convertion analoeique-numérique, la mise à zéro
de la console •••
Cette possibilité de combiner simplement plusieurs modules
pour en former un grand servant à la création d'un module encore plus grand
permet, après une phase initiale de développement des modules de base assez
longue, d'avancer très vite et de considérer des problèmes complexes tout
en utilisant peu de place mémoire, car les mots non utilisés peuvent être
otés du dictionnaire.
\
ANNEXE 2
Détermination du nombre de
points (2p+l) ct (2q+l) des
fenêtres utilisées pour les
lissages et le calcul des
dérivées.
p = 1
/ courbes de posi
\ vites~e:.
obtem:es Èt pé! tir
des courbes 1:onfes q =
1
position (valeurs
brutes)
dériv.ée de la
courbe précé
dente
vitesses
lissées
b) Déplacement lent ----------------
- 117 -
positions
(valeurs brutes)
courbes
lissées ( p=2)
c1érivôes
vitc.ê-SCS
lissées (q=2)
accélérations
-E
-
- 118 -
ANNEXE 3 ..
HISTOGRM1HES D'APPRENTISSAGE DSS PARA METRES DE COMPORTEMENT C j
a) ~~~~~~:~!~~~~ (G)
( K: ième pas de l'histo~ramme)
accélération (de0/s2
) 0
1--r----_ K
/ , d •. -~ es~gn. apprec Co op.
A, TH e= 0 0' 1
A2 M tâche
01 1 a j. -
A3. N e ~ 0 15 0,5 -A4 r ... ;., e~ 0 15 01 1
-- "\-1------A5 AB
tac ne L', l {1 j .
A6 B e= 0 c 1 1
A7 3 e= 1 0
A8 B e= l 0' 1
2 3
0,5 0' ~~
014 014
0,4 011
C 12 015 r--'0, ') 013
ol:; 0
014 014
0 "l, 1 -· C14
25
4 5 6
011 0 0
012 o,, 011
0 0 0
013 011 011 - ·-
0'; 0 C,?
013 01 l 0 f--
011 0,2 011 r-
013 o, 1
nG R~::l.es n
0
7
0
0
01,
01 l ,..--
0' 1
c
c
0
\ K (:0) estir.·a tion
iT!élX
!~ et - T3
5 B
/" d J
~)
, '·' "1 ~'. (
t' f·~
c. ~t + Tn / .
8
0,2
0
0
0 -
0
0
0
0
5~ estimat.
9 10 6lément.
G
0 0 M
0 0 @ 0 0 AN
0 0 AH -t---
c 0
0 0
~ 0
0 0
fii!tr ~~
C) ') li
AB
B
1 tps de maintien (eec) 0
;---__r----- K , 2
d' . , r----. esl.gn. apprec. c • op.
A, TH e= 0 0,3 o, .3
A2 t-t tâche o,B 013 a j •
A~. M e ~ 0,5 012 015 ;)
A4 AH e ~0 1 5 o,6 0,5 -- -
Ar:. AB tÂche c-12 017
;; aj. •· -
!\6 B e= 0 0 c l~ 1
t. ~ e= 1 0,5 0 4 .,., 1 1
'f, 3 e= 1 0 0,2
K mAX
2
\
7
- 119 -
5
3 4 5 6 7
0,3 0,2 0,2 0 0,2
0 0 0 0 0 ..__ 012 0 0 0 0 ....-
0 0 0 0 0 - ,.....-- --~-
0,2 0 0 0 0
0,3 0,2 0 0,2 0 r---
01 1 0, 1 0,2 0 0
C,5 (,• 12 c,,;; 0 0
(:0) estimation
et - T:,i
3 ~·:
'+ AN
~ AB
6 ';')
·'
et + TB
8
0
0
0
0
0
0
0
(.'
eT
@
TM
M
TM
® 8
:\5
AB
-..
r1ii?t \!:!.§)
- 120 -
tps entre ac. (sec) ~ 5
r-------r----- K 1 2 3 4 5 6 7 8 eA
d' . r---es~gn. appréc. c. op.
Al TH e= 0 016 013 011 0 0 0 0 011 TM
A2 M tâche
019 012 011 0 0 o, 1 0 0 M aj
A3 1\1 e<:::::-0 15 0 18 013 0 0 0 0 0 0 lJ ~
A4 AM e~ 0 15 019 01 1 0,2 0 0 0 0 0 - - - -t--- -----mëhe - -
A AB 917 012 0 011 c 1 1 0 0 0 @ 5
-- aJ.
A6 B e= 0 0,9 0,2 0 0 0 0 0 0 TI3 ~
A7 8 c- 1 0 15 c, !1- 011 0 0 (' 0 0 R -Ir--
A8 B e= 1 1 011 0 0 0 0 0 0 TB
'--
~ R;:'cdes R : . • ·zyJp LILL~
K (:0) estimation rr.~x
2 P.t - T3
\ 3 B
4 A!3
5 A!'.
6 !v;
7 e ~. + ·~~:~
-
- 121 -
d) Efforts sur les commandes (E) -------------------------efforts (Volts) ~ 2
---------r-------.. K 1 2 3 4 5 6 7 8 e
E
d' . r-----es1gn. appréc c.op.
Al TM e= 0 0 o, 1 0,2 0,, 0,2 0,2 o, 1 0,4 M
A M tâche 0' 1 011 013 011 012 012 o, 1 0,2 M
2 aj. A H ee:-0,5 0,1 0 0 1 0, 1 011 0,3 012 01 1 11
j 1
A4 .ur e c 0 15 01 1 011 0 012 011 012 01 1 016 M - - -- - - ~
A. . tâche
. . . . A3 0,6 013 0,2 cl 1 0 0 0 0 TB ..
5 ej. -···
A6 B e= 0 011 0 0 0 0 013 0,7 0 @ ,..-
47 ~ C'= 1 0 ... c "/, c ,li C.' 1 1 c 11 01, 0 0 AB 1 .; , ..
AB B e= 1 c ('l (' , (' 1 ;. 0 ,., (' , 0 0 AB ., , : , . T,'
- " .. ,14 i\egle.si,
K (:0) esti!"!e tion !"1é.IX
\ 8 i·1
7 J\!·:
, :'\3 ()
5 rl
'~ et - T13
!~ema roue
la saturation des capteurs ne permettant pRR le rele~6 d'efforts supérieurs
à ceux correspondant ~ 4V, nous ne donnnns pas la rèr,le délivrant l'es
timation TM.
- 122 -
positions (degrés) 0 r-----r---- K 1 2
d' . • r----es~gn apprec c.op.
Al TM e= 0 0,2 0,5 ·..;..
tâche A H 0,2 0,4 2 élj
A) ~ e~0,5 0,8 o, 1
- A,+ A:-! e ~ 0,5 0,1 0,3 - -- - -
tâc:h€' ;\_ A3 C,2 0,1 ) aj
!\ ... B e= 0 0,_:) ()' !j. ~_., -
' i3 ''7 e= 1 0,2 C,5
' 3 1 0,2 0,:5 "'P e=
\
20
3 4
~,5 o, 1
0,3 0,2
o, 1 0,2
0,5 0
G' !t 0,2
Cl,"'> 0,3
o,4 0, l
0;7 o,, -
5
0 ,.. __ 0,2 r---
0 ~--
o,:· -
0,2 r---
0
0 ~--o,,
40
6
0
0
0
0
0,2 --0
0
0
7
0
0
0
0 -
0
0
0
0
(8()\ ~
...
- 123 -
ANNEXE 4 HISTOGRAMMES DE VALIDATION
a) Accélérations
accélération (de,g/s2
) ~ 25 50
~---------- K ' 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 e
d' . ' r----G
es~gn. apprec. c.op.
v, TM e= 0 01, 01, 013 012 012 011 012 01, 0 0 M -
v2 TH e~ 0 15 0 012 013 015 012 011 01, 0 0 0 AM
v3 TI: t5che 0 013 013 01?. 012 0 01, c 0 0 AM a .t_. - - ,... - - - -
v4 An e= 1 01 , 013 014 014 0 0 01, 0 0 0 @ -
tr':i che -v5 AB AB
.. a,j. 013 012 013 0 -~ 0 01, 0 0 0 0 . .. 1 ..
v6 B e= 0 0 ole; 0 0 012 012 012 0 0 0 u .....__ v ·l'" ·~=
, (' 1 ~ 0 '"' r ·' ~ ('12 r 13 c 1 1 r ,..., 1 0 c " 1 1 \. 1 ,
V p. 'I'B e~ C15 013 C'· 16 011 01, 0 0 0 0 0 0 TB
b) Temns de Maintien '"~~ ---~-------------
~) --tvs d~ rnaintie~ (sec) ,)
r--:----.r---- l' , ? 3 '+ 5 "' 7 f eT ,., ")
r-----désif,n. Dp;.réc C • O!J.
v, T··· .. e= 0 0 Il~ 01 '+ 0 7 1 ·'
0 c 0 0 0 H
v_ T'-' e-:: 0 -- 0 l'+ C.l5 c ., 0 0 0 c 0 M ., '1 . t' 1
v_~ T!: ttc it~' 01'.5 0 1/+ (j (\ (;12 (: (i 0 @
8 j. - - - - - - -vL~ ~ 0
r. ~~ e= 1 0 -: 1-' 012 01 '~ (• 012 0 011 0 T3
v5 AR t3che 012 () l. 012 013 012 0 0 0 A3
a j. 1 ..__
v6 :3 e= 0 012 0 Il? 01?. 0,.5 0 012 0 0 B
v? Tr.; P.= , (1 "• Cl? r ~ 0 0 0 0 0 ® 1 - . 1 .
VR n e~ 015 012 01?. ü Il+ 012 0 ()13 0 0 a
1
- 124 -
c) Temps entre actions -------------------
tns entre ac. (sec) d r--:.---._----- K
d• . • r:-:-._ es~~n. arprec c.op.
4 1 2 3 5
v, e= 0 0 18 0 13 0 11 o 0
e~0 1 5 0 16 0 13 0 11 0 11 0 11
,., ~ . .LI. 0
5
6
0
0 ,....__ 011
7
0
0
0
8 et!
0
0 Ai-1
0 t~ c l:e a .i.
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e::: C 1 5 0 1 [ 0 1 2 c 0
c
c
0
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d) Efforts
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V,. :') e= 0 c c '1 (i 1 1 0 0 0 ~·l
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/ZEIS 79/ Nicro~nipulateur à asservissl')ment électric:ue pour le déroule
ment du mouvement en coordonnées sphériques.
Brevet Zeiss 79/30P30.
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